DE19929406A1

DE19929406A1 - Zeilen-OCT als optischer Sensor für die Meß- und Medizintechnik

Info

Publication number: DE19929406A1
Application number: DE19929406A
Authority: DE
Inventors: Klaus Knupfer; Christoph Hauger
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1999-06-26
Filing date: 1999-06-26
Publication date: 2000-12-28
Also published as: DE50002968D1; US6396587B1; EP1065468A1; ATE245802T1; EP1065468B1

Abstract

Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen in einer Probe mit einem bzgl. eines Referenzzeitpunktes zu einem Meßstrahl koherenten Referenzstrahls und mit einer Einrichtung zur räumlichen Überlagerung des von der Probe reflektierten Meßstrahls mit dem Referenzstrahl, wobei dieser Einrichtung eine Auswerteeinheit mit einem Detektor zugeordnet ist, wobei der Referenzstrahl (9) und der Meßstrahl (7) bei einer mindestens auf einem Teilbereich (27) überlappenden flächigen Bestrahlung einer dem Detektor (25) zugeordneten Sensorfläche (29) in einem Abstand (35) voneinander angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme von Tiefenprofilen in einer Probe. Zur Aufnahme eines Tiefenprofils wird die Probe mit einem Meßstrahl beleuchtet, wobei die von der Probe reflektierte Strahlung mit Strahlung eines Referenzstrahles räumlich überlagert wird. Aus der Überlagerung resultiert ein Interferenzmuster. Die Strahlungsintensität des Interferenzmusters wird mittels eines Detektors aufgenommen und einer Auswerteeinheit zugeführt.

Es sind beispielsweise aus der DE 32 01 801 C2, aus der WO 92/19930 sowie aus dem Artikel "Optical Coherence Tomography" von David Huang et al., veröffentlicht in SCIENCE, VOL. 254, Seite 1178-1181 vom 22.11.1991, Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die ein Michelson Interferometer mit einem Meßzweig und einem Referenzzweig aufweisen. Bei diesen Michelson Interferometern wird die von der Probe reflektierte Strahlung des Meßzweigs mit der Strahlung des Referenzzweiges überlagert, wobei der Weg den die Strahlung im Referenzzweig zurücklegt, moduliert wird. Als Lichtquelle sind zeitlich inkohärente Lichtquellen, die multispektral sind, wie z. B. Glühlampen, Gasentladungslampen und Laserdioden, vorgesehen. Nur bei identischen optischen Weglängen von Referenzzweig und Meßzweig treten Interferenzerscheinungen bei Überlagerung der Strahlung auf. Durch Variation der optischen Weglänge im Referenzzweig wird ein Tiefenprofil der Probe aufgenommen, da nur die in der entsprechenden Tiefe der Probe reflektierte Strahlung mit der Strahlung des Referenzzweiges interferiert.

Nachteilig ist bei diesen Verfahren, die im Referenzzweig für die Modulation des optischen Weges ein bewegtes Element erforderlich ist, wobei durch die Modulationsgeschwindigkeit die für die Aufnahme eines Tiefenprofils erforderliche Zeitspanne gegeben ist. Somit hängt die Zeit, die erforderlich ist um ein Tiefenprofil aufzunehmen von der Scangeschwindigkeit des bewegten Elementes ab. Während einer Aufnahme eines Tiefenprofils sollte eine Bewegung der Probe verhindert werden, da sonst die Zuordnung von Meßpunkt des Tiefenprofils zu dem entsprechenden Meßpunkt in der Probe nur unter Berücksichtigung der Bewegung der Probe möglich ist. Damit wird aber eine 3-dimensionale Aufnahme einer Probe nahezu unmöglich, sofern die Bewegung der Probe nicht steuerbar ist. Dadurch bedingt können Aufnahmen einer lebenden Probe nur begrenzt bzw. mit begrenzter Genauigkeit durchgeführt werden. Insbesondere bei lebenden Proben ist die erforderliche Belichtungszeit von gravierender Bedeutung.

Aus SPIE Vol. 2925, 298-303, 1996 mit Titel "Fast optical analysis in volume scatteres by short coherence interferometry" ist es bekannt Tiefenprofile einer Probe aufzunehmen, indem als Lichtquelle eine sehr breitbandige Quelle eingesetzt wird, wobei die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung mittels eines Strahlenteilers in einen Meßstrahl und in einen Referenzstrahl aufgeteilt wird. Die Strahlung des Referenzzweiges legt bei der Transmission durch ein im Referenzzweig angeordneten stark dispersiven Medium in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge in dem Referenzzweig unterschiedliche optische Wege zurück. Anschließend wird die Strahlung des Referenzzweiges mit der von der Probe reflektierten Strahlung überlagert. Der so gebildete Strahl wird mittels eines im Strahlengang angeordneten Prismas nach Wellenlängen räumlich aufgespalten. Durch Detektion der Intensität in Abhängigkeit von der dieser Position zugeordneten Wellenlänge kann auf die Reflektivität in der entsprechenden Tiefe der Probe geschlossen werden.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß bei Proben, bei denen die Reflektivität stark von der Wellenlänge des einstrahlenden Lichtes abhängt in Profiltiefen, denen eine Wellenlänge zugeordnet ist, die bezogen auf das zu untersuchende Medium nur eine vernachlässigbare Reflektivität aufweist, eine Untersuchung in dieser Profiltiefe nicht möglich ist. Weiterhin wird durch das starke dispersive Medium, insbesondere dessen Dispersivität, die maximale Scantiefe bzw. Profiltiefe beschränkt. Daraus resultiert, daß es erforderlich sein kann, daß der Referenzstrahl große Wege im dispersivem Medium zurücklegen muß, um einen akzeptablen Scanbereich durch eine entsprechende Aufspaltung der Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge im Referenzzweig zu erreichen.

Hinzu kommt, daß die Bereitstellung einer dementsprechend breitbandigen Lichtquelle nur beschränkt möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem die Aufnahme von Tiefenprofilen mittels sehr kurzer Lichtpulse möglich ist.

Weiterhin lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Aufnahme von Tiefenprofilen bereitzustellen, welche ohne bewegte Elemente im Referenzzweig auskommen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 10 gelöst.

Durch die Maßnahme bei einer Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl beabstandet voneinander anzuordnen, wobei durch diese eine einem Detektor zugeordnete Sensorfläche auf einem Teilbereich ihrer Erstreckung gleichzeitig durch den Referenzstrahl und den Meßstrahl bestrahlt wird, ist ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, mit der die Aufnahme von Tiefenprofilen mit sehr kurzen Belichtungszeiten möglich ist, wobei der Überlappungsbereich ein Tiefenprofil darstellt. Bei diesem Verfahren und dieser Vorrichtung sind keine bewegten Elemente zur Modulation des optischen Weges in dem Referenzzweig erforderlich, da durch die Bereitstellung einer flächigen Bestrahlung unterschiedliche optische Wege der jeweiligen Strahlung bis zur Sensorfläche zurückzulegen sind bezogen auf einem dem jeweiligen Strahl zugeordneten Strahlenausgang. Aus der Differenz der unterschiedlichen Wege für die Strahlung des Referenzzweiges und des Meßstrahls bis zur Sensorfläche ergibt sich der Meßpunkt in der entsprechenden Tiefe der Probe, damit eine konstruktive Interferenz der entsprechenden Strahlung resultiert.

Die auf diesem Teilbereich, der gleichzeitig durch den Referenzstrahl und den Meßstrahl bestrahlt wird, auftretenden Interferenzerscheinungen geben Aufschluß über die Reflektivitäten der Probe und deren Beschaffenheit in den entsprechenden Tiefen.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl eine Optik zuzuordnen, durch die der jeweilige Strahl aufgeweitet wird, so daß die Sensorfläche möglichst großflächig durch jeden Strahl bestrahlt wird. In Abhängigkeit von der maximalen Differenz der optischen Wege von Strahlenausgang des jeweiligen Strahls bis zum Erreichen der Sensorfläche wird die maximale Scantiefe in der Probe festgelegt.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt den Meßstrahl und den Referenzstrahl in Fasern bzw. Lichtleitern, vorzugsweise Monomodfasern, zu führen, die endseitig jeweils mit einer Optik zur Aufweitung des jeweiligen Strahls versehen sind. Solche mit einer Optik zur Bereitstellung einer hohen Apertur bzw. für die Aufweitung des Strahls versehene Lichtleiter sind bereits als Standardbauteile kostengünstig erhältlich.

In einigen Ausführungsbeispielen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt eine einzige Optik für die Aufweitung von Meß- und Referenzstrahl vorzusehen. Ist insbesondere die Sensorfläche in Form einer Sensorzeile ausgebildet, so hat es sich als vorteilhaft herausgestellt eine Optik für eine Fokussierung der Strahlung von Meßstrahl und Referenzstrahl auf diese Sensorzeile vorzusehen, wobei eine Aufweitung der jeweiligen Strahlen in Richtung der Erstreckung der Sensorzeile erhalten bleibt, so daß ein möglichst großer Teilbereich gleichzeitig durch Meß- und Referenzstrahl bestrahlt wird.

Das Vorsehen einer Sensorzeile ist zur Einsparung von Kosten vorteilhaft, da bereits durch eine einzige Sensorzeile alle Informationen eines Tiefenprofils enthalten sind. Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen;

Fig. 2 Detaildarstellung des den Detektor umfassenden Teilbereichs; und

Fig. 3 Detektor mit einer CCD-Zeile.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Aufnahme von Tiefenprofilen beschrieben. Diese Vorrichtung 1 weist als Strahlungsquelle 3 eine Superlumineszenzdiode 4a auf, die zeitlich inkohärente Strahlung abgibt. Diese Superlumineszenzdiode 4a stellt eine Weißlichtquelle 4 dar. Die von der Superlumineszenzdiode 4a abgegebene Strahlung wird mit von einer Laserdiode 2 vermischt, die zeitlich kohärente Strahlung im für das menschliche Auge sichtbaren Frequenzbereich abgibt. Diese Laserdiode 2 ist vorgesehen, um den Strahlenverlauf der im nicht sichtbaren Bereich abgegebenen Strahlung der Superlumineszenzdiode 4a verfolgen zu können. Die Strahlungsintensität des auf diese Weise gebildeten Strahls geht zu 90% auf die Superlumineszenzdiode 4a und zu 10% auf die Laserdiode 2 zurück.

Selbstverständlich können auch andere Mischungsverhältnisse gewählt werden. Diese Strahlung wird in einen Referenzzweig 16 bzw. Referenzstrahl 9, in den bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 10% der Strahlungsintensität eingekoppelt werden, und einen Meßzweig 14 bzw. Meßstrahl 7, in den die verbleibenden 90% eingekoppelt werden, aufgeteilt.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dem Referenzstrahl 9 ein Mischer 10 zugeordnet, durch den 50% der eingekoppelten Strahlung mit 50% der von einem in dem Referenzzweig 16 angeordneten Spiegel 41 reflektierten Strahlung gemischt werden. Die derart aufbereitete Strahlung des Referenzzweiges 9 wird mittels eines Lichtleiters 11 zu einem Strahlenausgang 17 des Referenzzweiges 9 geleitet. Als Lichtleiter 11 werden insbesondere Monomodfasern, durch die die optische Weglänge des Referenzzweiges 16 mit hoher Genauigkeit festgelegt und bekannt ist, verwendet.

Die in den Meßzweig 14 eingekoppelte Strahlung 7 wird ebenfalls durch einen Mischer 8 zu 50% mit der von der im Meßzweig 14 angeordneten Probe 13 reflektierten Strahlung vermischt und ebenfalls über einen Lichtleiter 11 zu einem Strahlenausgang 15 geleitet. Diese beiden Strahlenausgänge 15 und 17 sind beabstandet voneinander angeordnet. Von jedem Strahlenausgang 15, 17 geht ein Lichtkegel 37 aus, der auf eine zu beleuchtende als Sensorfläche 29 vorgesehene CCD-Zeile 33 eines Detektors 25 gerichtet ist. Durch diese von den Strahlenausgängen 15, 17 des Meß- und Referenzstrahls 7, 9 ausgehenden Lichtkegeln 37 wird ein Teilbereich 27 der CCD-Zeile 33 gleichzeitig beleuchtet. Nur bei identischen zurückgelegten optischen Wegen der Strahlung 9 des Referenzzweiges 16 und der Strahlung 7 des Meßzweiges 14 treten Interferenzerscheinungen auf, so daß durch Detektion der Strahlungsintensität im Teilbereich 27 durch Auswertung der verschiedenen zurückzulegenden Weglängen vom jeweiligen Strahlenausgang F1, F2 zum jeweiligen Ort der CCD-Zeile ein Tiefenprofil der zu untersuchenden Probe abgeleitet wird, indem die Differenz der zurückzulegenden optischen Wege bis zum Erreichen des jeweiligen Punktes der CCD-Zeile 33 herangezogen wird. Dabei ist der optische Wege im Referenzzweig 16 und im Meßzweig 14 von der Strahlungsquelle 3 bis zum Strahlenausgang 15, 17 unter der Annahme einer Reflektion der Strahlung im Meßzweig an einem vorbestimmten Bezugspunkt, der vorzugsweise die Probenoberfläche ist, identischer Länge. Ausgehend vom Referenzpunkt erhält man durch Division durch zwei der ermittelten Wegdifferenz von den Strahlenausgängen 15, 17 zu der Sensorzeile 31 den entsprechenden Meßpunkt in der entsprechenden Tiefe der Probe unter Berücksichtigung der optischen Dichte der Probe.

Die mittels der CCD-Zeile 33 aufgenommenen Intensitäten werden einer zugeordneten Auswerteeinheit 23, die mit einem Digital- oder Analogfilter versehen sein kann, zugeleitet. Die von der Auswerteeinheit 23 ermittelten Reflektivitäten werden mittels einer zugeordneten Bildverarbeitungeinrichtung 45 graphisch dargestellt.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß zur Aufnahme eines Tiefenprofils ein sehr kurzer Belichtungspulses ausreicht, da ein Tiefenscan bereits durch Aufnahme der detektierten Intensitäten einer einzigen CCD-Zeile 33 vorliegt, wobei die Auswertung später erfolgen kann. Somit gehen Bewegungen der Probe 13 nur während dieser äußerst kurzen Belichtungszeit ein und die Probe wird durch die nur kurz andauernde Bestrahlung durch die Strahlung der Lichtpulse nur kurzzeitig beeinflußt bzw. belastet. Die Auswertung einer aufgenommenen CCD-Zeile 33 kann und darf ein Vielfaches der Belichtungszeit erfordern.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vor der Probe 13 eine Einrichtung 39, die ein Scannen über die Probe 13 ermöglicht, angeordnet. Durch Scannen über die Probe 13 kann somit ein dreidimensionales Bild von der Probe 13 erstellt werden.

Der in Fig. 2 dargestellte Ausschnitt zeigt voneinander beabstandet angeordnete Faserenden 15 und 17 und eine CCD-Zeile 33 als Sensorfläche 29, wobei zwischen den Faserenden 15, 17 und der CCD-Zeile 33 eine Zylinderlinse 43 zur Fokussierung der von den Faserenden 15, 17 ausgehenden Strahlung auf die CCD-Zeile 33 vorgesehen ist.

Weiterhin kann zwischen den Faserausgängen 15 und 17 und der CCD-Zeile 33 eine zusätzliche Linse 44, wie in Fig. 3 gezeigt, vorgesehen, durch die ein streng periodisches Interferenzmuster erzeugt wird.

Wird als Pixelgröße 10 µm bei 5.000 Pixeln für eine CCD-Zeile 33 angenommen und wird davon ausgegangen, daß durch die den Faserausgängen 15, 17 zugeordnete Optik 19 ein Lichtkegel 37, der jeweils 12° überstreicht, ausgeht und wird als mittlere Wellenlänge der für die Untersuchung eingesetzten Strahlung 800 nm angenommen, und sind die Faserenden 15, 17 in einem Abstand von 24 cm vor der CCD-Zeile 33 angeordnet, so ergibt sich, daß zwei Punkte mit einem Abstand von 10 µm auflösbar sind. Die Faserenden 15, 17 sollten in einem Abstand von 10 mm zueinander angeordnet sein. Bei solch einer Anordnung ist ein Tiefenhub bis zu 2 mm möglich.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Laserdiode (zentr. Kohärent.)

3

Strahlungsquelle

4

Weißlichtquelle

4

a Superlumineszenzdiode

5

Strahlenteiler

7

Meßstrahl

8

Mischer

9

Referenzstrahl

10

Mischer

11

Lichtleiter

12

Faserenden

13

Probe

14

Meßzweig

15

Strahlenausgang Meßstrahl

16

Referenzzweig

17

Strahlenausgang Referenzstrahl

19

Optik

23

Auswerteeinheit

25

Detektor

27

Teilbereich

29

Sensorfläche

31

Sensorzeile

33

CCD-Zeile

35

Abstand

37

Lichtkegel

39

Einrichtung zum Abscannen der Probe

41

Spiegel

43

Zylinderlinse

44

zusätzliche Linse

45

Bildverarbeitungseinrichtung

Claims

1. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen in einer Probe mit einem bezüglich eines Referenzzeitpunktes zu einem Meßstrahl kohärenten Referenzstrahls und mit einer Einrichtung zur räumlichen Überlagerung des von der Probe reflektierten Meßstrahls mit dem Referenzstrahl, wobei dieser Einrichtung eine Auswerteeinheit mit einem Detektor zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzstrahl (9) und der Meßstrahl (7) für eine mindestens auf einem Teilbereich (27) überlappenden flächigen Bestrahlung einer dem Detektor (25) zugeordneten Sensorfläche (29) in einem Abstand (35) voneinander angeordnet sind.

2. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßstrahl (7) und dem Referenzstrahl (9) eine Optik (19) für eine Aufweitung des jeweiligen Strahls (7, 9) zugeordnet ist.

3. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (7) und der Referenzstrahl (9) in Fasern bzw. in Lichtleitern (11) geführt sind, die endseitig mit einer Optik (19) zur Aufweitung des jeweiligen Strahls (7, 9) versehen sind.

4. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfläche (29) durch von den Faserenden (12) der Fasern (11) ausgehenden Lichtkegeln (37) bestrahlt sind.

5. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorfläche (29) als Sensorzeile (31) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (7) und der Referenzstrahl (9) aus einem von einer Strahlungsquelle (3) ausgehenden und mit einem Strahlenteiler (5) versehenen Strahl hervorgeht.

7. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (3) eine gepulste Strahlung abgebende Strahlungsquelle (3) ist.

8. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle (3) eine Weißlichtquelle (4) vorgesehen ist.

9. Vorrichtung zur Aufnahme von Tiefenprofilen nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (7) mit einer Einrichtung (39) zum räumlichen Abscannen der Probe (13) versehen ist.

10. Verfahren mit einer Vorrichtung gemäß mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Meßstrahl (7) eine Probe (13) bestrahlt wird und die von der Probe (13) reflektierte Strahlung, den reflektierten Meßstrahl (7) bildend, mindestens einen Teilbereiche (27) der Sensorfläche (Sensorzeile) bestrahlt, der gleichzeitig durch den Referenzstrahl (9) bestrahlt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (23) aus den aufgenommenen Strahlungsintensitäten der Sensorzeile die Reflektivitäten in den Schichttiefen der Probe (13) ermittelt, die mittels einer Bildverarbeitungseinrichtung (45) graphisch darstellbar sind.