DE19812803A1 - Verfahren zur Herstellung eines Raumfilter-Arrays und Raumfilter-Array - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Raumfilter-Arrays und Raumfilter-ArrayInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Raumfilter-Arrays zur Unterdrückung störender Strahlungsfeld-Modulationen, insbesondere in optischen Systemen, die CCD-Kameras für die Bilderfassung bei kohärenter Strahlung verwenden, oder bei strukturierter Beleuchtung durch ein Mikrospiegel-Array, sowie zur Anwendung in der Holografie, Mikroskopie, Signalverarbeitung, Meßwesen und ein Raumfilter-Array. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Raumfilters-Arrays und ein Raumfilter-Array zu entwickeln, mit denen gewährleistet ist, daß in effektiver Art und Weise Bildinformationen optisch gefiltert werden, die aus einer Vielzahl von optischen Strahlengängen zusammengesetzt sind, wird dadurch gelöst, daß das Raumfilter-Array in seiner lateralen Anordnung der Mikroraumfilter, bestehend aus einer Mikrolinse und einer Mikroblende, der räumlichen Modulaltion des Nutzsignals angepaßt wird, daß eine Lochmaske 6 in der Brennebene eines Mikrolinsen-Arrays 7 so angeordnet wird, daß zu jeder Mikrolinse 8 eine Lochblende 9 der Lochmaske 6 gehört, daß der Blendendurchmesser der jeder Mikrolinse 8 zugeordneten Lochblende 9 so gewählt wird, daß für einen definierten Wellenlängenbereich genau die nullte Mode des fokussierten Strahlenfeldes der Mikrolinse 8 herausgefiltert und durchgelassen und höhere Moden des Strahlungsfeldes unterdrückt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Raumfilter-Arrays zur Unterdrückung störender
Strahlungsfeld-Modulationen, insbesondere in optischen
Systemen, die CCD-Kameras für die Bilderfassung bei
kohärenter Strahlung verwenden, oder bei strukturierter
Beleuchtung durch ein Mikrospiegel-Array, sowie zur
Anwendung in der Holografie, Mikroskopie,
Signalverarbeitung, Meßwesen, und ein Raumfilter-Array.
Bekannte Raumfilter (Katalog 1997/98 "Optics, Fiber
Optics, Tables & Hardware, Lasers, Instruments & Lab
Accessoires" der Melles Griot Inc., US, Seite 544) sind
nur für eine optische Achse ausgelegt, die nicht für
Aufgaben der Meßtechnik, zum Beispiel bei der
Oberflächenstrukturvermessung, verwendet werden
können, bei denen eine Vielzahl von optischen Achsen
auftritt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung eines Raumfilter-Arrays und ein
Raumfilter-Array zu entwickeln, mit denen gewährleistet
ist, daß in effektiver Art und Weise Bildinformationen
optisch gefiltert werden, die aus einer Vielzahl von
optischen Strahlengängen zusammengesetzt sind.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1
und 4 gelöst.
Das Raumfilter-Array wird in seiner lateralen Anordnung
der Mikroraumfilter der räumlichen Modulation des
Nutzsignals angepaßt. Eine Lochmaske wird in der
Brennebene eines Mikrolinsen-Arrays so angeordnet, daß
zu jeder Mikrolinse eine Lochblende der Lochmaske
gehört. Der Blendendurchmesser wird so gewählt, daß für
einen definierten Wellenlängenbereich genau die nullte
Mode des fokussierten Strahlenfeldes der Mikrolinse
herausgefiltert und durchgelassen und höhere Moden des
Strahlungsfeldes unterdrückt werden. Das Raumfilter-
Array wird aus einer optisch transparenten
Trägerschicht, vorzugsweise einer Quarzplatte, die mit
einer sphärischen Struktur versehen ist, welche mit
einem hochbrechenden Material gefüllt ist, gebildet,
auf die eine transparente Schicht mit einer einseitig
aufgebrachten Metallschicht aufgebracht ist. Die
Metallschicht weist Löcher als Lochblenden für die
Mikrolinsen auf.
Besondere Vorteile werden durch die komplexe Anordnung
einer Vielzahl von Mikroraumfiltern zu einem
Raumfilter-Array und dessen Anpassung an die räumliche
Modulation des Nutzsignals, erreicht. Es wird eine
Raumfilterung der Bildinformationen bezüglich störender
Raumfrequenzen gewährleistet, zum Beispiel von Speckl-
Strukturen und von Streulicht. Das Verfahren nach der
Erfindung gewährleistet des weiteren die genaue
Herstellung der Lochgrößen in der Lochmaske und die
genaue Zuordnung der Lochmaske zu den Linsenarrays. Das
Raumfilter-Array gemäß der Erfindung weist einen
einfachen Schichtaufbau auf.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen enthalten.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der
zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 die schematische Seitenansicht des
Aufbaus eines Raumfilter-
Arrays nach der Erfindung,
Fig. 2 die schematische Darstellung eines
optischen Systems mit einem
Raumfilter-Array,
Fig. 3 die schematische Darstellung einer
Anwendung des Raumfilter-Arrays in
einem optischen System mit
strukturierter Beleuchtung und
Fig. 4 die schematische Darstellung der
Anwendung des Raumfilter-Arrays zur
Schaltung von Laserstrahlung.
Ein Raumfilter-Array besteht aus einem Mikrolinsenarray
und einer Lochmaske. Die Lochmaske ist im
Tiefenschärfebereich der Linsen des Mikrolinsenarrays
angeordnet. Das Lochmuster entspricht genau dem Muster
der Mikrolinsen-Anordnung. Zu jeder Mikrolinse gehört
ein Loch in der Lochmaske. Die Löcher in der Lochmaske
sind im Durchmesser etwa anderthalb mal so groß wie der
1/e2-Strahldurchmesser an der Strahltaille (auch
Feldmode nullter Ordnung, TEMoo-Mode), die bei der
Fokussierung eines ebenen kohärenten Wellenfeldes durch
die Mikrolinse entsteht.
Wenn nun nichtebene Wellenfelder auf das Raumfilter
treffen, dann werden in der Brennebene der Mikrolinse
auch die Feldmoden höherer Ordnung erzeugt. Die
Strahltaille ist um den sogenannten
Strahlqualitätsfaktor M2 breiter als die Strahltaille
der TEMoo-Mode.
Aus diesem breiteren Feld der elektromagnetischen
Anregung wird durch die Blendenwirkung der Lochblende
äquivalent der Wirkung eines frequenzangepaßten
Mikrowellenleiters nur die nullte Mode herausgefiltert.
Durch das Raumfilter auf der Basis des Mikrolinsen-
Arrays wird nun aus einem ausgedehnten Wellenfeld nur
die nullte Mode herausgefiltert, die letztlich nur aus
dem ebenen Wellenfeld-Anteil stammen kann.
Wird nun in einer optischen Abbildung gewährleistet,
daß der Informationsgehalt (bzw. das Nutzsignal) des
Wellenfeldes nur in der ebenen Welle enthalten ist, so
wird durch das Raumfilter eine Trennung des Nutzsignals
vom Störsignal realisiert.
In der Fig. 1 ist in einer schematischen Darstellung
der Aufbau eines Raumfilter-Arrays nach der Erfindung
gezeigt, welches aus einer Quarzplatte 1 gebildet ist,
in welche eine sphärische Struktur 2 eingeätzt ist,
welche Mikrolinsen 8 bildet. Die sphärische Struktur 2
ist mit einem hochbrechenden Material gefüllt. Auf die
eingeätzte sphärische Struktur 2 ist eine
Anpassungsschicht 3 zur Farbfehlerkorrektur
aufgebracht. Diese Anpassungsschicht 3 nimmt auch
mechanische Kräfte auf, die durch die unterschiedlichen
Materialien der Quarzplatte 1, der Struktur 2 und einer
transparenten Schicht 4 entstehen. Die transparente
Schicht 4 schließt sich an die Anpassungsschicht 3 an,
auf welche eine Metallschicht 5 aufgebracht ist. Die
zuletzt aufgebrachte Metallschicht 5 bildet dann später
die Lochmaske 6. Eine genaue Zuordnung der Lochblenden
9 der Lochmaske 6 zu den Mikrolinsen 8 wild erreicht,
indem die Löcher z. B. mit einem Hochenergie-Laserstrahl
mit einer konstanten Intensitätsverteilung über den
gesamten Querschnitt des Strahls, der wiederum größer
als die Diagonale des Mikrolinsen-Arrays 7 ist,
bestrahlt bzw. beschossen wird. In den fokussierten
Bereichen ist die Energiedichte des Laserstrahl-Feldes
so hoch, daß in die Metallschicht 5 Löcher gebrannt
werden, die bei richtiger Dimensionierung der
Strahlungsleistung genau den geforderten
Blendendurchmessern entsprechen (Fig. 1).
Für die korrekte Funktion des Raumfilter-Arrays und die
Anwendung der beschriebenen Herstellungstechnologie
müssen die Schichtdicken der Schichten 3 und 4 genau so
dimensioniert werden, daß die Lochmaske 6 in der
Brennebene des durch die Mikrolinsen 8 gebildeten
Mikrolinsen-Arrays 7 liegt.
Der Blendendurchmesser der jeder Mikrolinse 8
zugeordneten Lochblende 9 ist so gewählt, daß für einen
definierten Wellenlängenbereich genau die nullte Mode
des fokussierten Strahlenfeldes der Mikrolinse 8
herausgefiltert und durchgelassen wird, während höhere
Moden des Strahlungsfeldes unterdrückt werden.
In der Fig. 2 ist ein optisches System schematisch
dargestellt, bei dem eine Optik 10 das vom Objekt 11
kommende kohärente Wellenfeld in ein nahezu ebenes
Wellenfeld umformt. In diesem Wellenfeld sind neben der
gewünschten Modulation des Wellenfeldes durch die
Oberflächeneigenschaften des Objekts 11 auch die
störenden Speckle-Strukturen enthalten, die durch die
Überlagerung der Partialwellen entstehen. Durch die
große numerische Apertur des Objektivs 10 werden die
Ausmaße der Speckle-Strukturen kleiner als der
Durchmesser der einzelnen Mikrolinsen 8 gehalten. Nach
der Filterung durch das Raumfilter-Array 12 sind die
Speckle-Strukturen gegenüber der gewünschten Modulation
des Wellenfeldes unterdrückt.
Diese Raumfilterung ist insbesondere bei der Verwendung
von CCD-Kameras 16 für die Bilderfassung bei kohärenter
Strahlung sinnvoll. Es muß dann für jedes Pixel der
Kamera eine Mikrolinse 8 mit Lochblende 9 aus dem
Raumfilter-Array 12 wirksam sein. Das wird durch die
telezentrische Optik 17 gewährleistet.
Wenn die Bestrahlung einer Probe mit kohärentem Licht
erfolgt, welches bereits durch Gitter, LCD-Schirme oder
Mikrospiegel-Arrays moduliert sind, dann muß darauf
geachtet werden, daß jedes Pixel des modulierenden
Gerätes genau einer Mikrolinse 8 des Raumfilter-Arrays
12 zugeordnet ist.
Die Fig. 3 zeigt die Anwendung des Raumfilter-Arrays 12
bei einer strukturierten Beleuchtung der Probe 11 durch
ein Mikrospiegel-Array 13.
Die von der Probe 11 zur Optik 10 zurückgesandte
Strahlung gelangt über einen Strahlteiler 18 auf das
Raumfilter-Array 12 und wird dort so gefiltert, daß die
Bildinformation von der Probenoberfläche erhalten
bleibt während die Speckle-Strukturen unterdrückt
werden.
Die gefilterte Strahlung wird über das Objektiv 19 auf
die CCD-Kamera 16 übertragen.
Die Anordnung der Mikroraumfilter auf dem Raumfilter-
Array 12, bestehend aus je einer Mikrolinse 8 und einer
Lochblende 9, richtet sich nach der geometrischen
Anordnung der Mikrospiegel 14 im Mikrospiegel-Array 13.
Die Fig. 4 zeigt die Anwendung des Raumfilter-Arrays 12
zur Schaltung von Laserstrahlung, zum Beispiel in der
Mikroskopie. Ein Mikrospiegel-Array 13 mit den in ihrer
Winkelstellung steuerbaren Mikrospiegeln 14 wird mit
kohärenter Laserstrahlung vom Laser 15 beleuchtet.
An den Mikrospiegeln 14 wird die Laserstrahlung so
reflektiert, daß in je ein Element/Mikrolinse 8 des
Raumfilter-Arrays 12 ein Teilstrahl gelangt, von dem
jeweils nur die nullte Mode des partiellen
Strahlungsfeldes ausgefiltert und durchgelassen wird.
Die von den Mikrospiegeln 14 reflektierten Teilstrahlen
haben auch nach der Filterung durch das Raumfilter-
Array 12 eine Phasenbeziehung zueinander, da die
Beleuchtung aus einer Quelle erfolgte. Es wird in
Verbindung mit einem Mikrospiegel-Array 13 eine
gegenüber mit einem Diodenlaser-Array ausgestattete
Laserschaltung wesentlich höhere Quelldichte erzielt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es
möglich, durch Kombination der Merkmale weitere
Ausführungsformen zu realisieren.
1
Quarzplatte
2
sphärische Struktur
3
Anpassungsschicht
4
transparente Schicht
5
Metallschicht
6
Lochmaske
7
Mikrolinsen-Array
8
Mikrolinse
9
Lochblende
10
Optik
11
Objekt (Probe)
12
Raumfilter-Array
13
Mikrospiegel-Array
14
Mikrospiegel
15
Laser
16
CCD-Kamera
17
telezentrische Optik
18
Strahlteiler
19
Objektiv
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung eines Raumfilter-Arrays zur
Unterdrückung störender Strahlungsfeld-Modulationen,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Raumfilter-Array in seiner lateralen Anordnung
der Mikroraumfilter, bestehend aus einer Mikrolinse
und einer Mikroblende, der räumlichen Modulation des
Nutzsignals angepaßt wird, daß eine Lochmaske (6)
in der Brennebene eines Mikrolinsen-Arrays (7) so
angeordnet wird, daß zu jeder Mikrolinse (8) eine
Lochblende (9) der Lochmaske (6) gehört, daß der
Blendendurchmesser der jeder Mikrolinse (8)
zugeordneten Lochblende (9) so gewählt wird, daß für
einen definierten Wellenlängenbereich genau die
nullte Mode des fokussierten Strahlenfeldes der
Mikrolinse (8) herausgefiltert und durchgelassen und
höhere Moden des Strahlungsfeldes unterdrückt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Lochblenden (9) in der Lochmaske (6) für jede
Mikrolinse (8) durch einen Laserstrahl mit hoher
Strahlqualität markiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Laserstrahl über die Mikrolinsen (8) auf die
Metallschicht (5) fokussiert wird.
4. Raumfilter-Array,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein optisch transparentes Trägermaterial (1) mit
einer sphärischen Struktur (2) versehen ist, die mit
einem hochbrechenden Material aufgefüllt ist und ein
Mikrolinsen-Array (7) bildet, daß mit der sphärischen
Struktur (2) eine transparente Schicht (4) mit einer
einseitig aufgebrachten Metallschicht (5) verbunden
ist, wobei die Metallschicht (5) Löcher als
Lochblenden (9) für die Mikrolinsen (8) enthält.
5. Raumfilter-Array nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das optisch transparente Material durch eine
Quarzplatte (1) gebildet ist.
6. Raumfilter-Array nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
mit der sphärischen Struktur (2) eine
Anpassungsschicht (3) zur Farbfehlerkorrektur
verbunden ist.
7. Raumfilter-Array nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
Plankonvex-Mikrolinsen verwendet werden.
8. Raumfilter-Array nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Raumfilter-Array (12) in dem von Mikrospiegeln
(14) eines Mikrospiegel-Arrays (13) reflektierten
Strahlengang so angeordnet ist, daß je ein Element
(8) des Raumfilter-Arrays (12) von dem
Teilstrahlengang eines in seiner Winkelstellung
gesteuerten Mikrospiegels (14) getroffen wird und
die nullte Mode des partiellen Strahlungsfeldes
ausfiltert und durchläßt, wobei das Mikrospiegel-
Array (13) mit kohärenter Laserstrahlung beleuchtet
ist.
9. Raumfilter-Array nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die laterale Anordnung der Mikroraumfilter im
Raumfilter-Array genau der Anordnung der Pixel einer
angeschlossenen CCD-Kamera entspricht.
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