DE19812803B4

DE19812803B4 - Verfahren zur Herstellung eines Raumfilter-Arrays und Raumfilter-Array

Info

Publication number: DE19812803B4
Application number: DE1998112803
Authority: DE
Inventors: Gottfried Frankowski; Hans-Helmut Heinrich
Original assignee: GF Messtechnik GmbH
Current assignee: GF Messtechnik GmbH
Priority date: 1998-03-16
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: DE19812803A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Raumfilter-Rrrays zur Unterdrückung störender Strahlungsfeld-Modulationen, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter-Array in seiner lateralen Anordnung der Mikroraumfilter, die jeweils aus einer Mikrolinse und einer Mikroblende bestehen, 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, wobei 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, und wobei die Lochmaske (6) aus einer Metallschicht (5) hergestellt wird, indem ein Laserstrahl hoher Strahldichte über die Mikrolinsen (8) auf die Metallschicht (5) fokussiert wird, wodurch Löcher mit den erforderlichen Blendendurchmessern in die Metallschicht (5) gebrannt 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 und können nicht für Aufgaben der Messtechnik, zum Beispiel bei der Oberflächenstrukturvermessung, verwendet werden, bei denen eine Vielzahl von optischen Achsen auftritt.

Aus der DE 26 49 886 A1 ist ein Linsenraster mit integrierten, in fester Lagebeziehung zu den Mikrolinsen angeordneten Blenden bekannt.

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 2 gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter-Array in seiner lateralen Anordnung der Mikroraumfilter, die jeweils aus einer Mikrolinse und einer Mikroblende bestehen, der räumlichen Modulation des Nutzsignals angepasst wird, dass eine Lochmaske in der Brennebene eines Mikrolinsen-Arrays so angeordnet wird, dass zu jeder Mikrolinse eine Lochblende der Lochmaske gehört, wobei der Blendendurchmesser der jeder Mikrolinse zugeordneten Lochblende so gewählt wird, dass für einen definierten Wellenlängenbereich genau die nullte Mode des fokussierten Strahlenfeldes der Mikrolinse herausgefiltert und durchgelassen und höhere Moden des Strahlungsfeldes unterdrückt werden, und wobei die Lochmaske aus einer Metallschicht hergestellt wird, indem ein Laserstrahl hoher Strahldichte über die Mikrolinsen auf die Metallschicht fokussiert wird, wodurch Löcher mit den erforderlichen Blendendurchmessern in die Metallschicht gebrannt werden.

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 Speckle-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:

1: die schematische Seitenansicht des Aufbaus eines Raumfilter-Arrays nach der Erfindung,

2: die schematische Darstellung eines optischen Systems mit einem Raumfilter-Array,

3: die schematische Darstellung einer Anwendung des Raumfilter-Arrays in einem optischen System mit strukturierter Beleuchtung und

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 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 ihr ist eine Metallschicht 5 aufgebracht. Die zuletzt aufgebrachte Metallschicht 5 bildet dann später die Lochmaske 6. Eine genaue Zuordnung der Lochblenden 9 der Lochmaske 6 zu den Mikrolinsen 8 wird 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 (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 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 der Optik 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 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 im Mikrospiegel-Array 13.
Die 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

Verfahren zur Herstellung eines Raumfilter-Rrrays zur Unterdrückung störender Strahlungsfeld-Modulationen, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter-Array in seiner lateralen Anordnung der Mikroraumfilter, die jeweils aus einer Mikrolinse und einer Mikroblende bestehen, 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, wobei 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, und wobei die Lochmaske (6) aus einer Metallschicht (5) hergestellt wird, indem ein Laserstrahl hoher Strahldichte über die Mikrolinsen (8) auf die Metallschicht (5) fokussiert wird, wodurch Löcher mit den erforderlichen Blendendurchmessern in die Metallschicht (5) gebrannt werden.
Raumfilter-Array, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisch transparentes Trägermaterial mit einer sphärischen Struktur (2) versehen ist, die mit einem hochbrechenden Material aufgefüllt ist und ein Mikrolinsen-Array (7) bildet, und 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.
Raumfilter-Array nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch transparente Material durch eine Quarzplatte (1) gebildet ist.
Raumfilter-Array nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der sphärischen Struktur (2) eine Anpassungsschicht (3) zur Farbfehlerkorrektur verbunden ist.
Raumfilter-Array nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Plankonvex-Mikrolinsen verwendet werden.
Vorrichtung mit einem Raumfilter-Array nach Anspruch 2, 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.
Vorrichtung mit einem Raumfilter-Array nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Anordnung der Mikrofilter im Raumfilter-Array genau der Anordnung der Pixel einer angeschlossenen CCD-Kamera entspricht.