DE69115477T2

DE69115477T2 - Interferometrisches system und verfahren

Info

Publication number: DE69115477T2
Application number: DE69115477T
Authority: DE
Inventors: Timothy Dabbs; Monty Glass
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1990-04-23
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2011-04-24
Also published as: CA2080023A1; US5617207A; WO1991016597A1; EP0526547A1; DE69115477D1; ATE131597T1; EP0526547B1; JPH05508707A; EP0526547A4

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Geräte und Verfahren zum Messen einer Änderung in einer Energiestrahlungsweglänge.
Mach-Zehnder-Interferometer sind die mit am beliebtesten Anordnungen für hochauflösende Faseroptiksensoren (Fig. 1). Bei dieser Art von optischen Fasersensoren wird Licht von einer kohärenten Lichtquelle 100 in eine Monomodefaser 101 eingekoppelt. Dieses Licht wird mittels eines Kopplers 102 in zwei Fasern eingekoppelt, nämlich die Referenzfaser 103 sowie die Signalfaser 104. Das Licht dieser beiden Fasern wird wiederum mittels eines Kopplers 105 zusammengeführt, wobei optische Interferenz stattfindet, welche durch die beiden Detektoren 106 und 107 erfaßt wird. Die Detektorsignale verändern sich, falls die optische Weglänge in einem Arm (dem Signalarm 104) des Interferometers sich relativ zu der im anderen Arm (dem Referenzarm 105) ändert. Dabei gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten die Weglänge zu verändern: intrinsisch oder extrinsisch. Bei einem intrinsischen Faseroptik-Interferometer wird die Signalfaser selbst, z B. mittels eines piezoelektrischen Zylinders 108 (oder durch Erwärmung etc.) gestreckt, um die Weglänge zu verändern, so daß das Licht die Fasern niemals verlassen muß. Bei einem extrinsischen Faseroptik-Interferometer verläßt das Licht die Faser, wird kollimiert, läuft durch eine Meßzelle, in der die optische Weglänge verändert wird, und wird dann in die Faser zurückgeleitet. Typischerweise werden mit Mach-Zehnder-Interferometersensoren Temperatur, Druck, Schall, Beschleunigung, geringfügige Verschiebungen, Konzentrationen chemischer Verbindungen usw. gemessen.
Es ist allgemein bekannt, ein Michelson-Interferometer (Fig. 2) zur Messung von Verschiebungen zu benutzen, insbesondere falls die Verschiebungen relativ groß sind. Von einem Laser 200 emittiertes kohärentes Licht läuft dabei längs einer Monomodefaser 201 zu einem Koppler 202. Das Licht läuft durch eine Signalfaser 203, verläßt diese Faser am Ende 204 und wird mittels der Linse 205 kollimiert. Daraufhin wird das Licht durch einen flachen Reflektor 206 zurück zur Linse 205 reflektiert und von dort am Faserende 204 zurück in den Kern der Faser 203. Dieses zurückreflektierte Licht interferiert im Koppler 202 mit dem vom verspiegelten Ende 207 der Faser 208 reflektierten Referenzlicht. Die durch die Interferenz dieser beiden Strahlen im Koppler 202 erzeugte Intensität durchläuft die Faser 209 und wird durch den Detektor 210 erfaßt. Bei herkömmlichen Interferometern wird die Faser-Linsenbaugruppe als Gesamteinheit relativ zum Reflektor 206 verschoben, z. B. mittels einer piezoelektrischen Bühne 211, welche demzufolge die optische Weglänge im Signalarm verändert.
Aus JP-A-01/012,204 ist ein Interferometer bekannt, welches kollimiertes kohärentes Licht verwendet, um die Bewegung eines Objekts zu messen. Der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert auf diesem Dokument.
Ziel der vorliegende Erfindung ist es, verbesserte Geräte und Verfahren zum Messen der Änderung einer Energiestrahlungsweglänge bereitzustellen.
Für eine Erläuterung der Begriffe "interferieren" und "Interferenz" im Sinne der vorliegenden Beschreibung wird verwiesen auf "Principles of Optics, Max Born and M. L. Wolf, Pergamon Press, 6th Corrected Edition, reprinted 1984 Chapters VII and X".
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zum Messen der Änderung einer Energiestrahlungsweglänge bereitgestellt, welches umfaßt:
eine Energiequelle;
Energieausstrahlvorrichtungen zum Ausstrahlen eines ungeführten ersten Energiestrahls, von dem zumindest ein Teil im wesentlichen kohärent ist;
Energieführungsvorrichtungen um einen zweiten Energiestrahl kohärent zu einem Energiestrahl-Interferometer zu führen;
Energiesammelvorrichtungen zum Sammeln und kohärenten Ausrichten zumindest eines Teils des ersten Energiestrahls auf dieses Interferometer, wobei der gesammelte erste Energiestrahl mit dem zweiten Energiestrahl interferiert, wodurch ein Ausgabesignal erzeugt wird;
Energieausrichtvorrichtungen zum Ausrichten kohärenter Energie, mit dem zumindest ein Teil des ersten Energiestrahls von den Erzeugungsvorrichtungen auf die Energiesammelvorrichtungen gerichtet wird;
Vorrichtungen zum Ändern der effektiven Weglänge des ersten Energiestrahls zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen; und
einen Rechner, welcher mit dem Interferometer zusammenwirkt, um die Änderung in der Energiestrahlungsweglänge zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen basierend auf der Änderung im Ausgabesignal zu bestimmen;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Änderung in der effektiven Weglänge in einem Bereich des Wegs zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen liegt, wo der erste Energiestrahl im wesentlichen unkollimiert ist.
Bevorzugterweise umfassen die Vorrichtungen zum Ändern erste Änderungsvorrichtungen zum Ändern der effektiven Weglänge zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energieausrichtvorrichtungen.
Zusätzlich oder alternativ umfassen die Vorrichtungen zum Ändern zweite Änderungsvorrichtungen zum Ändern der effektiven Weglänge zwischen den Energieausrichtvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen.
Gemäß eines zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Interferometerzelle für parametrische Messungen bereitgestellt, welche das oben genannte Gerät umfaßt, wobei
die Energieausstrahlvorrichtungen das austrittsseitige Ende einer ersten, die Kohärenz aufrechterhaltenden Energieführungsvorrichtung umfassen;
die Energieausrichtvorrichtungen eine Energiefokussiervorrichtung umfassen, welche so angeordnet ist, daß zumindest ein Teil der vom austrittsseitigen Ende austretenden Energie der ersten Energieführungsvorrichtung darauf fällt;
die Energiesammelvorrichtungen das energieeintrittsseitige Ende einer zweiten die Kohärenz aufrechterhaltenden Energieführungsvorrichtung umfassen, welche so angeordnet ist, daß zumindest ein Teil der auf die Energiefokussiervorrichtung einfallenden Energie kohärent darauf fokussiert wird;
die Vorrichtungen zum Ändern so angeordnet sind, um entweder das austrittsseitige Ende der ersten Energieführungsvorrichtung oder das eintrittsseitige Ende der zweiten Energieführungsvorrichtung in Abhängigkeit von dem zu messenden Parameter zu bewegen, was zu einer Änderung in der Weglänge zwischen dem energieaustrittsseitigen Ende und der Fokussiervorrichtung bzw. der Fokussiervorrichtung und dem energieeintrittsseitigen Ende führt.
Es ist zu beachten, daß die ersten und zweiten, die Kohärenz aufrechterhaltenden Energieführungsvorrichtungen dieselbe Energieführungsvorrichtung sein können. In diesem Falle kann die Fokussiervorrichtung einen Reflektor umfassen.
Gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Messen der Änderung der effektiven Energiestrahlungsweglänge eines Energiestrahlungswegs, welches die folgenden Schritte umfaßt:
kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil eines ersten Energiestrahls mittels Energieausrichtvorrichtungen, wobei zumindest ein Teil des Strahls im wesentlichen kohärent ist, von Energieausstrahlvorrichtungen zum Ausstrahlen des ersten Energiestrahls von einer Energiequelle auf Energiesammelvorrichtungen, wobei der erste Energiestrahl von den Energieausstrahlvorrichtungen ungeführt ist;
kohärentes Führen eines zweiten Energiestrahls von der Energiequelle auf ein Energiestrahl-Interferometer;
Sammeln von zumindest einem Teil des ersten Energiestrahls mittels den Energiesammelvorrichtungen;
kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil des gesammelten ersten Energiestrahls auf das Interferometer, wobei der gesammelte erste Energiestrahl mit dem zweiten Energiestrahl interferiert, wodurch ein Ausgabesignal entsteht;
Ändern der effektiven Energiestrahlungsweglänge des ersten Energiestrahls zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen, wodurch sich das Ausgabesignal ändert;
Feststellen der Änderung der effektiven Energiestrahlungsweglänge zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen aus der Änderung im Ausgabesignal;
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Energiestrahl im wesentlichen unkollimiert ist in den Bereichen, wo seine Energiestrahlungsweglänge geändert wird.
Bevorzugterweise findet diese Änderung in der effektiven Energiestrahlungsweglänge zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energieausrichtvorrichtungen statt.
Zusätzlich ergibt sich eine weitere Änderung der effektiven Energiestrahlungsweglänge zwischen den Energieausrichtvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen.
Die Energiequelle kann einen Partikelstrahl bereitstellen, wie z. B. einen Neutronen-, Protonen- oder Elektronenstrahl oder einen Alpha-Teilchenstrahl, akustische Wellen, wie z. B. Schallwellen, oder elektromagnetische Strahlung, wie z. B. Gammastrahlung, Röntgenstrahlung, UV-Licht, sichtbares Licht, Infrarotlicht oder Mikrowellen.
Im allgemeinen handelt es sich bei der Energiequelle um eine Quelle elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich des fernen UV oder fernen IR, einschließlich derselben, und die Energieführungsvorrichtung ist eine optische Faser.
Beispiele für Lichtquellen umfassen glühende Lichtquellen, wie z. B. Wolframdrahtwendeln, Dampflampen, wie z. B. Halogenlampen inklusive Natrium- und Joddampflampen, Entladungslampen wie z. B. Xenonbogenlampen und Quecksilberbogenlampen, Festkörperlichtquellen, wie z. B. Fotodioden, superradiante Dioden (super radiant diodes), lichtemittierende Dioden, Laserdioden, elektrolumineszente Lichtquellen, Laserlichtquellen inklusive Edelgas-Lasern, wie z. B. Argon-Laser, Argon/Krypton-Laser, Neon-Laser, Helium-Neon-Laser, Xenon- und Krypton-Laser, Kohlenmonoxid- und Kohlendioxid-Laser, Metall- Ionen-Laser, wie z. B. Kadmium-, Zink-, Quecksilber- oder Selenionen-Laser, Bleisalz-Laser, Metalldampf-Laser, wie z. B. Kupfer und Golddampf-Laser, Stickstoff-Laser, Rubin-Laser, Jod-Laser, Neodym-Glas- und Nd-YAG-Laser, Farbstoff-Laser, wie z. B. Farbstoff-Laser, welche Rhodamin 640, Kiton Rot 620 oder Rhodamin 590 als Farbstoff verwenden, sowie Laser mit dotierten Fasern.
Die Energieausstrahlvorrichtungen können das Austrittsfenster einer Energiequelle sein, ein Laser oder eine Laserdiode oder eine Lochblende in Verbindung mit einem fokussierenden Element. Alternativ dazu kann die Energiequelle mit einer Energiefuhrungsvorrichtung verbunden sein, wobei die Energieausstrahlvorrichtungen ein Energieausgabeabschnitt der Energieführungsvorrichtung sind, wie z. B. eine Blende oder ein gekrümmter Abschnitt.
Die Energieführungsvorrichtungen zum kohärenten Führen des zweiten Energiestrahls können eine einzelne Energieführungsvorrichtung oder ein Fokussierungsvorrichtung sein.
Die Energieausrichtvorrichtungen der kohärenten Energie können Energieverdichter oder Fokussierer inklusive virtueller Fokussierer sein.
Die Fokussierungsvorrichtung kann aus Brechungslinsen bestehen, inklusive Mikroskopobjektiven, reflektierenden Linsen und/oder holographischen optischen Elementen. Falls die Energie eine Frequenz aufweist, welche nicht im Bereich des UV- bis nahen Infrarotlichts liegt, oder andere Typen von Energie umfaßt, können analoge Fokussierungselemente anstelle der optischen Fokussierungselemente verwendet werden.
Die Energiesammelvorrichtungen können eine Blende sein oder der Energieeintrittsbereich einer Energieführungsvorrichtung, welche mit dem Interferometer zusammen wirken, um gesammelte Energie z. B. zum Interferometer kohärent zu führen.
Die Energieführungsvorrichtung kann flexibel sein und es kann sich dabei um eine Energieführungsfaser handeln.
Bei der Energieführungsvorrichtung kann es sich um eine flexible, optische Multimodefaser handeln.
Bei der Energieführungsvorrichtung kann es sich um eine flexible optische Multimodefaser handeln. Zum Beispiel kann eine 5 um-Kernfäser verwendet werden, wobei sich um eine Monomodefaser mit einer Wellenlänge von 633 Nanometer handelt, welcher ein passendes Brechungsindexprofil aufgeprägt ist. Eine optische Stufenindexfaser zeigt Monomodeeigenschaften, wenn die numerische Apertur, NA, der Faserkernradius a und die Wellenlänge des Lichts λ die folgende Beziehung erfüllen:
2 π NA a/λ ≤ 2,405.
Die Energieführungsvorrichtung kann ein kohärentes Faserbündel sein.
Das Energie-Interferometer kann ein Energieteiler sein oder z. B. das Erfassungselement eines Detektors.
Der Energieteiler kann eine Energiefährungskopplungsvorrichtung sein, wie z. B. ein optischer Faserkoppler oder ein massives optisches Teilerelement. Der optische Faserkoppler kann ein zusammengesetztes bikonisches Koppelprisma sein, ein aus einem geschliffenen Block bestehender Koppler, ein sich einschnürender und geätzter Koppler oder ein optischer Koppler basierend auf einem massiven optischen Teil mit aufgerollten Fasereingängen und -ausgängen, eine planare Wellenleitungsvorrichtung basierend auf photolithographischen oder Ionendiffusions-Fabrikationsschritten oder auch anderer äquivalente Koppler.
Die Änderungsvorrichtungen zum Ändern der Energiestrahlungsweglänge zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energieausrichtvorrichtungen oder zum Ändern der Energiestrahlungsweglänge zwischen den Energieausrichtvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen oder beiden können z. B. eine Abtastvorrichtung sein oder eine Substanz, welche ihren Brechungsindex im Strahlengang des einstrahlenden Lichts ändert.
Die Abtastvorrichtung kann eine piezoelektrische Bühne sein, eine Kombination aus einem magnetischen Kern und einer magnetischen Spule, ein mechanischer Vibrator, ein elektromechanischer Vibrator, eine mechanische oder elektromechanische Abtastvorrichtung, wie z. B. ein Servomotor, eine elektrooptische Abtastvorrichtung mit akustischem Koppler oder jede andere passende Vorrichtung.
Energie, welche kohärent aus dem austrittsseitigen Ende der ersten Energieführungsvorrichtung austritt, kann z.B. als Ergebnis einer Reflexion, Brechung, Beugung oder Streuung zur Fokussiervorrichtung geführt werden.
Der Rechner kann optische, elektrische, optoelektronische, mechanische oder magnetische Elemente umfassen, oder kann solche Techniken umfassen, wie optische und elektrische Phasenschwebverfahren, Vielflächendetektoren mit 90º Phasenverschiebung oder Phaseneinschlußschleifen-Verfahren.
Die Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen Mach-Zehnder-Interferometers;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines typischen Michelson-Interferometers;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Punktabtast- Mikroskops;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Geräts mit bewegter Faser;
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßgen Refraktometers; und
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Erfassungssystems, welches in dem im Fig. 3 gezeigten Mikroskop verwendbar ist.
In einem in Fig. 3 gezeigten Punktabtast-Mikroskop 300 ist eine Laserdiode 301 mit einer einstückig integrierten optischen Monomodefaser 302 an das Port 303 eines direktionalen Monomodefaser-Kopplers 304 angeschlossen. Licht von der einstückig integrierten optischen Faser 302 wird zwischen den Ports 305 und 306 aufgespalten. Im wesentlichen kohärentes und im wesentlichen unkollimiertes Licht, welches am Monomodefaser-Austrittssende 308 der Faser 307 austritt, wird durch die Linse 309 mit niedriger numerischer Apertur (typischerweise 0,01 bis 0,1) gesammelt und ein Teil davon durch den Strahlteiler 310 geführt, wodurch es auf die Linse 311 mit hoher numerischer Apertur (typischerweise 0,1 bis 1,45) in einem Punkt 312 fokussiert wird, welcher auf dem Objekt 313 liegt.
Rücklaufendes, durch die Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck 312 und dem Objekt 313 resultierendes Licht wird durch die Linse 311 gesammelt, durchläuft den Strahlteiler 310 und wird durch die Linse 309 zurück in das Faserende 308 fokussiert. Rücklaufendes, vom Kern der Faser 307 gesammeltes Licht wird zwischen den Ports 303 und 314 des direktionalen Monomodefaser-Kopplers 304 aufgeteilt. Vom Port 314 rücklaufendes Licht läuft durch die einstückig integrierte optische Faser 315 zum Detektor 316. Ein Teil des vom Faserende 308 ausgestrahlten Lichts wird durch den Strahlteiler 310 aufgeteilt und durch die Linse 317 mit hoher numerischer Apertur auf den Kern einer Monomodefaser 318 fokussiert, welche an das Port 319 des direktionalen Monomodefaser-Kopplers 320 angeschweißt ist. Ein Teil des Signallichts wird über die Ports 323 und 324 zwischen den faseroptischen Armen 321 und 322 des Kopplers 320 aufgeteilt. Signallicht von den faseroptischen Armen 321 und 322 trifft auf die Detektoren 325 und 326. Von der Laserdiode 301 ausgestrahltes Licht, welches aus dem Port 306 des Kopplers 304 austritt, läuft längs der Referenzfaser 327 zum Port 328 des Kopplers 320. Ein Teil dieses Referenzlichts wird zwischen den faseroptischen Armen 321 und 322 des Kopplers 320 durch die Ports 323 und 324 aufgeteilt. Die Ausgabesignale der Detektoren 325 und 326 laufen in den Rechner 329 und das Ausgabesignal des Rechners 329 läuft über die Leitung 332 in die dreidimensionale Bildgebungsvorrichtung 330. Das Signal vom Detektor 316 wird über die Leitung 331 in die Bildgebungsvorrichtung 330 geführt. Die piezoelektrische Bühne 333 bewegt das austrittsseitige Ende 308 der Faser in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung längs der Achse um den Punkt 312, um in der Nähe des Objekts 313 in der z- Richtung abzutasten. Die mechanische Bühne 334 tastet das Objekt 313 in x- und y-Richtung ab. Die Bildgebungsvorrichtung 330 steht mit der mechanischen Bühne 334 über die Leitung 335 in Verbindung.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Geräts läuft von der Laserdiode 301 ausgestrahltes Licht über die Faser 302, das Port 303, den Koppler 304, das Port 305 und die Faser 307 zum austrittsseitigen Ende 308. Ein Teil des am austrittsseitige Ende 308 austretenden Lichts ist im wesentlichen kohärent und im wesentlichen unkollimiert und wird durch die Linse 309 auf den Strahlteiler 310 gerichtet. Ungefähr 90% des ausgestrahlten Lichts, welches in den Strahlteiler 310 tritt, läuft durch ihn direkt hindurch zur Linse 311, von wo es auf einen Brennfleck 312 fokussiert wird, welcher auf der Probe 313 liegt. Rücklaufendes Licht, welches durch die Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck 312 und dem Objekt 313 entsteht, wird durch die Linse 311 kollimiert und läuft in den Strahlteiler 310. Die Intensität des rücklaufenden Lichts entspricht der Stärke der Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck 312 und dem Objekt 313 bei der jeweiligen Position des Brennflecks und kann dazu verwendet werden, einen speziellen Parameter des Objekts an der betreffenden Stelle, wie z. B. die Reflektivität, zu charakterisieren. Der größte Teil des rücklaufenden Lichts läuft durch den Strahlteiler 310, um durch die Linse 309 am Faserende 308 in den Kern der Faser 307 fokussiert zu werden. Ein wesentlicher Teil dieses rücklaufenden Lichts läuft über die Faser 307, das Port 305, den Koppler 304, das Port 314 und die Faser 315 zum Detektor 316. Der Detektor 316 erfaßt das rücklaufende Licht und sendet ein Signal aus, welches der Intensität des rücklaufenden Lichts entspricht und über die Leitung 331 auf die Bildgebungsvorrichtung 330 gegeben wird. Ungefähr 10% des ausleuchtenden, in den Strahlteiler 310 einlaufenden Lichts wird durch die Linse 317 in den Kern der Monomodefaser 318 gerichtet und von dort weiter über das Port 319 in den Koppler 320. Ein Teil des von der Laserdiode 301 ausgestrahlten kohärenten Lichts läuft über die Faser 302 und das Port 303 und verläßt den Koppler über das Port 306. Dieses Referenzlicht läuft längs der Monomodefaser 327 über das Port 328 in den Koppler 320, wo es mit im Koppler 320 vorhandenen ausleuchtenden Licht interferiert. Die Intensität des Interferenzlichts wird über die die Ports 323 und 324 sowie die Fasern 321 und 322 an die Detektoren 325 und 326 weitergegeben. Die Detektoren 325 und 326 erfassen die Intensität des Interferenzlichts und geben jeweils ein Signal auf den Rechner 329 aus, welches der relativen Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem ausleuchtenden Licht entspricht. Ändert sich die z-Position des Faserendes 308, so ändert sich auch die Intensität des Interferenzlichts in den Detektoren 325 und 326 als Ergebnis der Änderung in der Phasendifferenz zwischen dem Referenzlicht und dem ausleuchtenden Licht. Diese Änderung in der Phasendifferenz ist das Ergebnis der Änderung in der Weglänge zwischen dem Faserende 308 und dem eintrittsseitigen Ende der Faser 318. Der Rechner 329 bestimmt die z-Position der Änderung des Faserendes 308 und somit die z- Position des Brennflecks 312 aus der Veränderung in den Intensitäten des Interferenzlichts bei den Detektoren 325 und 326.
Das Mikroskop 300 kann verwendet werden, um ein dreidimensionales Bild des Objekts 313 zu erhalten durch Vor- und Zurückbewegen des Faserendes 308 längs der z-Achse mittels der piezoelektrischen Bühne 333 und mittels Verschiebens des Objekts 313 in x- und y-Richtung. Das dreidimensionale Bild wird wie folgt festgehalten und abgespeichert: Das Signal am Detektor 316 wird über die Leitung 331 auf die Bildgebungsvorrichtung 330 gegeben, welche Werte für die x-, y- und z-Koordinaten speichert. Dann bewegt die piezoelektrische Bühne 333 das Faserende 308 so, daß die vom Rechner 329 gemessene Phasendifferenz sich um einen vorbestimmten Betrag ändert, welcher einer bekannten Änderung in der z-Position des Faserendes 308 und einer bekannten Veränderung in der z-Position des Brennflecks 312 entspricht. Diese neue Position des Brennflecks wird von der Bildgebungsvorrichtung 330 registriert und das über Leitung 331 geführte Signal des Detektors 316 wird als neue x-y-z-Koordinate gespeichert. Dieses Verfahren wird für alle erforderlichen z-Positionen bei gegebenen x-y-Koordinaten des Objekts 313 durchgeführt. Die mechanische Bühne 334 wird benutzt, um das Objekt 313 so zu bewegen, daß der Brennfleck 312 in z-Richtung verschiedene x-y-Koordinaten auf dem Objekt 313 abtasten kann, bis ein dreidimensionales Bild des Objekts 313 durch die Bildgebungsvorrichtung 330 abgespeichert ist.
Alternativ dazu kann das Mikroskop 300 auf die folgende Weise betrieben werden: Das Faserende 308 wird in schnelle, sinusförmige Oszillationen versetzt, um in z-Richtung den Licht- oder Brennfleck 312 auf der Oberfläche des Objekts 313 zu bewegen. Die Signale der Detektoren 325 und 326 nehmen somit die Form von Sinuswellen an mit sinusförmig variierenden Frequenzen (d. h. frequenzmodulierte Sinuswellen). Ein jeder Scheitelwert der Sinuswellen entspricht einer einzelnen Verschiebungswellenlänge des Faserendes 308. Eine einfache Methode, um die z-Position des Faserendes 308 mit einer Auflösung bis zu einer Wellenlänge des Lichts genau zu bestimmen, besteht darin, die Scheitelwerte, welche Interferenzringen entsprechen, zu zählen.
Man beachte, daß in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen den Charakteristiken der optischen Elemente 309 und 311 eine Wellenlänge der Bewegung des Faserendes 308 einem 1/100 der Wellenlänge der Bewegung des beugungsbegrenzten Brennflecks 312 entsprechen kann. Somit kann durch Überwachung des Intensitätpegels am Detektor 316 und Feststellen des Interferenzsignals zum Zeitpunkt des Scheitelsignals am Detektor 316 in der Bildgebungsvorrichtung 330 die Position der Oberfläche des Objekts 313 bis zu einem 1/100 einer Wellenlänge oder genauer bestimmt werden. In diesem Fall ist es eher das Signal am Detektor 316, denn die Position des Faserendes 308, welches die Auflösung bestimmt.
Das Erfassungssystem in Fig. 3, welches den Koppler 320, die Fasern 321 und 323 sowie die Detektoren 325 und 326 umfaßt, kann durch ein in Fig. 6 gezeigtes Detektorsystem 400 ersetzt werden. Man beachte, daß die Fasern 318 und 327 in Fig. 3 den Monomodefasern 401 und 402 in Fig. 6 entsprechen. Ausleuchtendes Licht tritt am Faserende 403 aus der Faser 401 aus. Referenzlicht tritt am Faserende 404 aus der Faser 402 aus. Die Fasern 401 und 402 sind im Bereich ihrer Enden im wesentlichen parallel. Die Faserenden 403 und 404 liegen in nächster Nähe zueinander, so daß aus dem Ende 403 austretendes ausleuchtendes Licht mit aus dem Ende 404 austretenden Referenzlicht interferiert, um dadurch ein Interferenzmuster 405 zu erzeugen. Wenn die Phase des aus dem Faserende 403 austretenden Lichts sich relativ zu dem aus dem Faserende 404 austretenden Licht verändert, wird das Interferenzmuster 405 über den Doppelelementdetektor 406 hinweg verschoben. Falls die Phasenänderung des aus dem Faserende 403 austretenden Lichts relativ zu dem aus dem Faserende 404 austretenden Licht positiv ist, bewegt sich das Interferenzmuster 404 in einer bestimmten Richtung, z. B. nach vorne. Falls die Phasenänderung des aus dem Faserende 403 austretenden Lichts relativ zu dem aus dem Faserende 404 austretenden Licht negativ ist, so bewegt sich das Interferenzmuster 405 in die entgegengesetzte Richtung, also z. B. nach hinten. Falls das Interferenzmuster sich nach vorne bewegt, erfaßt die untere Hälfte des Doppeldetektors 406 ein besonderes Merkmal im Signal vor der oberen Hälfte. Umgekehrt gilt, daß falls sich das Interferenzmuster nach hinten bewegt, die obere Hälfte des Doppeldetektors ein bestimmtes Merkmal im Signal zeitlich vor der unteren Hälfte erfaßt. Auf diese Weise können, wie mit Bezugnahme auf Fig. 3 deutlich wird, die Richtung und Größe der Bewegung des Faserendes 308 in z-Richtung festgestellt werden.
Ein Gerät 600 mit beweglichen Fasern, welches in Fig. 4 dargestellt ist, umfaßt einen Laser 601 sowie einen Koppler 603, welcher mit dem Laser 601 mittels einer optischen Monomodefaser 602 verbunden ist. Kohärentes, ausleuchtendes Licht tritt vom Koppler 603 in die Faser 604 ein. Die Faser 604 ist nahe ihrem austrittsseitigen Ende 605 mit einem x-y-z-Vibrator 606 verbunden. Aus dem Faserende 605 austretendes Licht wird kohärent auf unkollimierte Weise ausgerichtet, und zwar bevorzugterweise in die x-, y- und z-Richtung. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß das Faserende 605 mit großer Sorgfalt geometrisch geformt ist. In die z-Richtung gerichtetes Licht wird durch die Linse 607 gesammelt und in das Ende 608 der Monomodefaser 609 fokussiert. In die y-Richtung gerichtetes Licht wird durch die Linse 610 gesammelt und in das Ende 611 der Monomodefaser 612 fokussiert. In die x-Richtung gerichtetes Licht wird durch die Linse 613 gesammelt und in das Ende 614 der Monomodefaser 615 fokussiert. Z-Referenzlicht vom Laser 601 wird mittels des Kopplers 603 in die Monomodefaser 616 gerichtet. Längs der Faser 616 ist ein piezoelektrischer Zylinder 617 angeordnet, welcher über die Leitung 618 mit einer Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 verbunden ist. Die Faser 616 ist mit einem Koppler 620 verbunden, welcher wiederum über die Faser 621 mit der Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 verbunden ist. Y-Referenzlicht vom Laser 601 wird mittels des Kopplers 603 auf die Monomodefaser 622 gerichtet. Längs der Faser 622 ist ein piezoelektrischer Zylinder 623 angeordnet, welcher über die Leitung 624 mit der Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 verbunden ist. Die Faser 622 ist mit dem Koppler 625 verbunden, welcher über die Faser 626 wiederum mit der Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 verbunden ist. X-Referenzlicht vom Laser 601 wird niittels des Kopplers 603 in die Monomodefaser 627 gerichtet. Längs der Faser 627 ist ein piezoelektrischer Zylinder 628 angeordnet, welcher über die Leitung 629 mit der Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 verbunden ist. Die Faser 627 ist mit dem Koppler 630 verbunden, welcher wiederum über die Faser 631 mit der Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 verbunden ist. Alle Fasern und Koppler in der Vorrichtung 600 tragen zur Aufrechterhaltung einer Monomodekohärenz bei.
Im Betrieb wird kohärentes Licht vom Laser 601 in die Monomodefaser 602 gekoppelt. Das kohärente Licht aus der Faser 602 tritt in den fünf Ports umfassenden Koppler 603 ein. Ein Teil dieses Lichts wird mittels des Kopplers 603 kohärent in die Faser 604 eingekoppelt. Ein Teil des vom Faserende 605 austretenden Lichts der Faser 604 wird in z-Richtung kohärent auf die Linse 607 gerichtet. Die Linse 607 fokussiert dann einen Teil dieses Lichts in den Kern des Faserendes 608 der Monomodefaser 609. Dieses Licht läuft kohärent durch die Faser 609 und tritt in den Koppler 620 ein. Ein anderer Teil des in den Koppler 603 eintretenden Lichts wird kohärent in die Referenzfaser 616 eingekoppelt. Das Licht läuft längs der Faser 616 zum Koppler 620, wo es mit dem ausleuchtenden Licht aus der Faser 609 interferiert. Die aus der Interferenz des Lichts aus den Fasern 609 und 616 resultierende Lichtintensität wird in die Faser 621 eingekoppelt und durch die Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 erfaßt. Die Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 erzeugt ein Fehlersignal, welches über die Leitung 618 auf den piezoelektrischen Zylinder 617 gegeben wird, um das Interferometer in einem Betriebzustand mit 90º Phasenverschiebung zwischen den interferierenden Teilwellen zu halten, und zwar dadurch, daß der piezoelektrische Zylinder dazu gebracht wird, seinen Durchmesser zu ändern und dadurch physisch die Länge der Referenzfaser 616 zu ändern. Das obengenannte Verfahren erlaubt es, die Änderung in der z-Position des Faserendes 605 zu überwachen.
Die Überwachung der Position des Faserendes 605 in x- und y-Richtung wird auf eine ähnliche wie für die z-Richtung beschriebene Weise bewirkt.
Der x-y-z-Vibrator 606 bewegt das Faserende 605 in die x-, y- und/oder z-Richtung. Die Erfassungs-/Rechenvorrichtung 619 ermittelt wie oben beschrieben die Änderung in der x-, y- und/oder z-Richtung des Faserendes 605 und speichert das Ergebnis ab. Wenn die oben beschriebene Verfahrensweise eingehalten wird, kann das Gerät 600 dazu benutzt werden, um ein Objekt in einer bekannten Weise dimensional abzutasten.
In Fig. 5 ist ein Refraktometer 605 gezeigt. Ein Laser 501 ist über eine Monomodefaser 503 mit einem Koppler 502 verbunden. Ausleuchtendes Licht tritt über den Koppler 502 in die Faser 504 ein und tritt am Faserende 505 aus, welches in einer Refraktometer-Probenzelle 506 angebracht ist. Der fokussierende Reflektor 507 befindet sich in der Zelle 506, um Licht vom Faserende 505 über das Ende 505 zurück in den Kern der Faser 504 zu richten. Ein Teil des in den Koppler 502 eintreffenden ausleuchtenden Lichts wird über den Koppler 502 in die Faser 508 gerichtet. Die Faser 508 ist um den sich zwischen dem Koppler 502 und dem Koppler 512 befindlichen piezoelektrischen Zylinder 509 gewickelt. Der piezoelektrische Zylinder 509 ist über die Leitung 511 mit der Erfassungs-/Rechenvorrichtung 510 verbunden. Ausleuchtendes Licht, welches vom Spiegel 507 zurückreflektiert wird, läuft durch die Faser 504 zum Koppler 502, welcher einen Teil hiervon in die Faser 513 richtet, welche zusätzlich mit dem Koppler 512 verbunden ist. Der Koppler 512 ist über optische Fasern 514 und 515 mit der Erfassungs-/Rechenvorrichtung 510 verbunden. Die Zelle 506 hat eine Einlaßöffnung 516 und eine Auslaßöffnung 517. Obwohl alle Fasern und Koppler im Refraktometer 500 für Monomode-Betrieb ausgelegt sind, könnten sie genausogut Multimodefasern- und -koppler sein.
Beim Betrieb wird kohärentes Licht vom Helium-Neon-Laser 501 in die Faser 503 eingekoppelt, auf den Koppler 502 gerichtet und zwischen der ausleuchtenden Faser 504 und der Referenzfaser 508 aufgeteilt. Ausleuchtendes Licht verläßt den Kern der Faser 504 am Faserende 505. Der fokussierende Reflektor 507 reflektiert und fokussiert einen beachtlichen Teil des kohärenten unkollimierten ausleuchtenden Lichts am Faserende 505 zurück in den Kern der Faser 504. Der Strahlengang zwischen dem Faserende 505 und dem Reflektor 507 befindet sich vollständig in der Zelle 506 und die optische Weglänge hängt vom Brechungsindex der Substanz in der Zelle 506 ab (bei der es sich z. B. um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln kann). Das zurückreflektierte und in den Kern der Faser 504 fokussierte Licht läuft in den Koppler 502, welcher einen Teil hiervon in die Faser 513 richtet. Das in die Faser 513 einlaufende Licht wird auf den Koppler 512 gerichtet. Licht, welches in die Referenzfaser 508 eintrifft, läuft um den piezoelektrischen Zylinder 509 herum in den Koppler 512, wo es mit dem in der Faser 513 zurückreflektierten Licht interferiert, um eine Lichtintensität zu erzeugen, welche charakteristisch ist für die Phasendifferenz zwischen dem zurückreflektierten Strahl und dem Referenzstrahl. Die Intensität des Interferenzlichts wird mittels des Kopplers 512 in die Fasern 514 und 515 eingekoppelt und läuft zur Erfassungs-/Rechenvorrichtung 510. Die Erfassungs-/Rechenvorrichtung 510 erzeugt ein Fehlersignal, welches über die Leitung 511 zum piezoelektrischen Zylinder 509 geleitet wird, um den Referenzstrahl relativ zum zurückreflektierten Strahl um 90º phasenverschoben zu halten, was dadurch erreicht wird, daß der piezoelektrische Zylinder 509 dazu gebracht wird, seinen Durchmesser zu ändern und dadurch die Länge der Faser 508 physisch zu ändern. Die Erfassungs-/Rechenvorrichtung 510 bestimmt aus dem Fehlersignal die Änderung des Brechungsindexes des Materials, welches die Zelle 506 durchläuft.
Wie oben angedeutet, kann die bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Geräts benutzte Energiequelle kohärent oder teilweise kohärent sein. In einem in Fig. 7 gezeigten Weißlicht-Interferometer-Analysator 700 wird Licht der Wellenlänge L1 von einer Super-Lumineszenz-Diode 701 in die einstückig integrierte Monomodefaser 702 eingespeist, welche mit dem Weißlicht-Interferometerzelle 703 verbunden ist, welche eine Weglängendifferenz zwischen den Signal- und Referenzstrahlen aufweist, deren Größe D von der Stärke des zu messenden Parameters abhängt. Die Ausgabe der Zelle 703, welche die rekombinierten Signal- sowie Referenzstrahlen aus der Zelle 703 umfaßt, wird in die Monomodefaser 704 eingekoppelt, welche über das Port 706 mit dem Monomode-Wellenlängen-Divisionsmultiplexer 705 verbunden ist. Bezüglich des Ports 706 hat der Wellenlängen-Divisionsmultiplexer 705 eine Wellenlänge L2 am Port 709 anliegen sowie L1 und L2 am Ausgangsport 707. Das Port 708 ist so abgeschlossen, daß es Reflexionen unterdrückt. Die Laserdiode 710 mit hoher Kohärenzlänge, welche Licht der Wellenlänge L2 emittiert, ist über die Monomodefaser 711 mit dem Port 709 verbunden. Das Port 707 ist über die Monomodefaser 713 und das Port 714 mit dem unabhängigen Monomode-Wellenlängenkoppler 712 verbunden. Der Koppler 712 hat Ausgangsports 715 und 716 und ein Port 717, das so abgeschlossen ist, daß Reflexionen unterdrückt werden. Man beachte, daß der Multiplexer 705 weggelassen werden könnte, wenn Licht von der Diode 710 direkt in das Port 717 eingekoppelt wird. Das Port 716 ist mit der Monomodefaser 718 verbunden, welche das Ausgabeende 719 aufweist. Ein Teil des Lichts der Wellenlänge L1 mit niedriger Kohärenzlänge sowie des Lichts der Wellenlänge L2 mit hoher Kohärenzlänge tritt vom Ende 719 mit einer numerischen Apertur von typischerweise 0,1 aus, um von der Linse 720 gesammelt zu werden und wird mit hoher numerischer Apertur in das Eingangsende 721 der Monomodefaser 722 eingekoppelt, welche mit dem Port 724 des wellenlängenunabhängigen Monomodefaser-Kopplers 723 verbunden ist, welcher ein weiteres Eingangsport 725 aufweist, ein Ausgangsport 727 und ein Ausgangsport 726, welches so abgeschlossen ist, daß eine Reflexion unterdrückt wird. Das Port 715 ist über die Monomodefaser 729 mit dem Port 725 verbunden. Das Port 727 ist über eine Monomodefaser 728 und ein Eingangsport 731 mit dem Wellenlängen- Divisionsmultiplexer 730 verbunden. Bezüglich des Eingangsports 731 hat der Multiplexer 730 die Wellenlänge L1 am Ausgangsport 732 anliegen und die Wellenlänge L2 am Ausgangsport 734 sowie am Port 733 anliegen, welches so abgeschlossen ist, daß eine Reflexion unterdrückt wird. Das Port 732 ist über die Faser 737 mit der Lawinen-Photodiode 738 verbunden. Das Port 734 ist über die Faser 735 mit der Diode 736 verbunden. Das Ende 719 kann mittels der Abtastvorrichtung 739 relativ zur Linse 720 vor- und zurückgeschoben werden, so daß die Weglängendifferenz zwischen Licht, welches von vom Koppler 712 über die Linse 720 zum Koppler 723 läuft, und Licht, welches, über die Faser 729 läuft, zumindest zwischen -D und +D variiert werden kann. Die Diode 736, die Diode 738 und die Abtastvorrichtung 739 sind über Leitungen 751, 752 bzw. 753 mit einem Computer 740 verbunden. Der Computer 740 ist über die Leitung 742 mit der Aufzeichnungsvorrichtung 741 verbunden.
Beim Betrieb wird teilweise kohärentes Licht mit der durchschnittlichen Wellenlänge L1 von der Diode 701 über die Fasern 702 in die Zelle 703 eingekoppelt, wo es in zwei Strahlen aufgespaltet wird, welche längs verschiedener Wege mit einer Wellenlängendifferenz von D laufen, bevor sie in die Faser 704 eingekoppelt werden. Ein erster Teil dieses Lichts der Wellenlänge L1 wird über das Port 706, den Multiplexer 705, das Port 707, die Faser 713, das Port 714 den Koppler 712, das Port 716 und die Faser 718 zum Ende 719 geführt, von wo es unkollimiert und stückweise kohärent mit einer Weglängendifferenz von D zwischen den Teilstücken austritt, mit einer niedrigen numerischen Apertur eingefangen und mittels der Linse 720 mit hoher numerischer Apertur in das Ende 721 der Faser 722 gerichtet wird, welche es über das Port 724 zum Koppler 723 führt. Ein zweiter Teil des durch die Zelle 703 in die Faser 704 eingekoppelten Lichts der Wellenlänge L1 wird über das Port 706, den Multiplexer 705 und das Port 707, die Faser 713, das Port 714, den Koppler 712, das Port 715, die Faser 729 sowie das Port 725 zum Koppler 723 geführt, wo es mit dem ersten Teil interferiert, um temporär Interferenzmuster mit variierender Sichtbarkeit zu erzeugen, welche abhängig sind von den relativen Positionen der Enden 719 und 721 zueinander. Das Ergebnis dieser Interferenz wird über das Port 727, die Faser 728, das Port 731, den Multiplexer 730, das Port 732 und die Faser 737 auf die Diode 738 gerichtet. Die Intensität des von der Diode 738 erzeugten Signals wird vorn Computer 740 erfaßt. Die relative Position der Faserenden 719, 721 zueinander wird durch den Computer 740 durch Erfassen der Interferenzringe bestimmt, welche durch Interferenz im Koppler 723 entstehen zwischen Licht der Wellenlänge L2, welches längs eines ersten Wegs von der Faser 711 zum Koppler 723 geführt wird über das Port 709, den Multiplexer 705, das Port 707, die Faser 713, das Port 714, den Koppler 712, das Port 716, die Faser 718, das Ende 719, die Linse 720, das Ende 721, die Faser 722 und das Port 724 sowie längs eines zweiten Wegs von der Faser 711 zum Koppler 723 über das Port 709, den Multiplexer 705, das Port 707, die Faser 713, das Port 714, den Koppler 712, das Port 715, die Faser 729 und das Port 725. Das im Koppler 723 durch Licht der Wellenlänge L2 erzeugte Interferenzsignal wird auf die Diode 736 gerichtet über das Port 727, die Faser 728, das Port 731, den Multiplexer 730, das Port 734 und die Faser 735, wo es erfaßt wird. Um D und somit die Größe des zu messenden Parameters zu bestimmen, befiehlt der Computer 740 über die Leitung 743 der Abtastvorrichtung 739 das Faserende 719 relativ zur ruhenden Linse 720 axial zu bewegen, während die Position des Faserendes 719 über die Leitung 751 mittels des Signals an der Diode 736 und durch Feststellen des Signals an der Diode 738 über die Leitung 752 überwacht wird.
Der Computer korreliert das von der Diode 738 stammende Signal dann als Funktion der Position des Faserendes 719, z. B. unter Benutzung von Fourier- Transformationen, um die Weglängenschwankung D zu ermitteln und somit die Größe des zu messenden Parameters genau zu bestimmen. Das Ergebnis wird in der Aufzeichnungsvorrichtung 741 über die Leitung 742 aufgezeichnet.
Erfindungsgemäße Geräte und Verfahren zum Messen der Änderung in einer Energiestrahlungsweglänge erleichtern die Messung der scheinbaren Position des Endes einer Faser, durch welches ausleuchtendes Licht ausstritt, relativ zu einem anderen Objekt in einer, zwei oder drei Dimensionen.

Zusammenfassung

Es werden Geräte und Verfahren zum Messen der Änderung in einer Energiestrahlungsweglänge offenbart. Eine weitverwendbare Ausführungsform ist ein Gerät zum Messen der Änderung einer Energiestrahlungsweglänge, welches eine Energiequelle (301) umfaßt Energieausstrahlvorrichtungen (302, 307) zum Ausstrahlen eines ersten im wesentlichen unkollimierten Energiestrahls, wobei zumindest ein Teil des ersten Energiestrahls im wesentlichen kohärent ist, sowie Energieführungsvorrichtungen (327) zum kohärenten Führen eines zweiten Energiestrahls zu einem Energieinterferometer, kohärente Energieausrichtvorrichtungen (310) sowie Energiesammelvorrichtungen (317), wobei die Energieausrichtvorrichtungen (310) mit den Energieausstrahlvorrichtungen und den Energiesammelvorrichtungen (317) zusammenwirken, wodurch zumindest ein Teil des ersten Energiestrahls von den Energieausstrahlvorrichtungen (302, 307) auf die Energiesammelvorrichtungen (317) gerichtet wird, und wobei die Energiesammelvorrichtungen (317) mit dem Interferometer zusammenwirken, wodurch zumindest ein Teil des eingefangenen ersten Energiestrahls kohärent auf das Interferometer gerichtet wird, und der eingefangene erste Energiestrahl mit dem zweiten Energiestrahl interferiert, wodurch ein Ausgabesignal entsteht, Vorrichtungen (333) zum Ändern der Energiestrahlungsweglänge des ersten Energiestrahls zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen (302, 307) und den Energieausrichtvorrichtungen (310), wobei Vorrichtungen (333) zum Ändern mit den Energieausstrahlvorrichtungen des ersten Energiestrahls zusammenwirken, und einen Rechner (319), welcher mit dem Interferometer zusammenwirkt um die Änderung in der Energiestrahlungsweglänge aus der Änderung des Ausgabesignals zu bestimmen.

Claims

1. Gerät zum Messen der Änderung einer effektiven Energiestrahlungsweglänge, welches umfaßt:

eine Energiequelle (301, 501, 601, 701, 710);

Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) zum Ausstrahlen eines ungeführten ersten Energiestrahls, von dem zumindest ein Teil im wesentlichen kohärent ist;

Energieführungsvorrichtungen (327, 508, 616, 622, 627, 729) zum kohärenten Führen eines zweiten Energiestrahls zu einem Energiestrahl-Interferometer (320-326, 512, 620, 625, 723, 736, 738);

Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721) zum Sammeln und kohärenten Ausrichten zumindest eines Teils des ersten Energiestrahls auf das Interferometer (320-326, 512, 620, 625, 723, 736, 738), wobei der gesammelte erste Energiestrahl mit dem zweiten Energiestrahl interferiert, wodurch ein Ausgabesignal erzeugt wird;

Energieausrichtvorrichtungen (309, 507, 607, 610, 613, 720) zum kohärenten Ausrichten zumindest eines Teil des ersten Energiestrahls von den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) auf die Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721);

Vorrichtungen (333, 506, 606, 739) zum Ändern der effektiven Energiestrahlungsweglänge des ersten Energiestrahls zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) und den Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721); und

einen Rechner (329, 510, 619, 740), welcher mit dem Interferometer (320-326, 512, 620, 625, 723, 736, 738) zusammenwirkt, um die Änderung in der Energiestrahlungsweglänge zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) und den Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721) basierend auf der Änderung im Ausgabesignal zu bestimmen;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Änderung in der effektiven Energiestrahlungsweglänge in einem Bereich des Strahlungswegs zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) und den Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721) stattfindet, wo der erste Energiestrahl im wesentlichen unkollimiert ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei diese Vorrichtungen zum Ändern erste Änderungsvorrichtungen (333, 506, 606, 739) umfassen, um die effektive Weglänge zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) und den Energieausrichtvorrichtungen (309, 507, 607, 610, 613, 720) zu ändern.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtungen zum Ändern zweite Änderungsvorrichtungen (506) umfassen, um die effektive Weglänge zwischen den Energieausrichtvorrichtungen (507) und den Energiesammelvorrichtungen (505) zu ändern.

4. Parametrische Interferometermeßzelle, welche das Gerät nach Anspruch 1 umfaßt, wobei

die Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) das austrittsseitige Ende einer ersten, die Kohärenz aufrechterhaltenden Energieführungsvorrichtung (307, 504, 604, 718) umfassen;

die Energieausrichtvorrichtungen (309, 507, 607, 610, 613, 720) eine Energiefokussiervorrichtung umfassen, welche so angeordnet ist, daß zumindest ein Teil der am austrittsseitigen Ende der ersten Energieführungsvorrichtung austretenden Energie darauf fällt;

die Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721) das energieeintrittsseitige Ende einer zweiten, die Kohärenz aufrechterhaltenden Energieführungsvorrichtung (318, 504, 609, 612, 615, 722) umfassen, welche so angeordnet ist, daß zumindest ein Teil der auf die Energiefokussiervorrichtung einfallenden Energie kohärent darauf fokussiert wird; und

die Vorrichtungen (333, 506, 606, 739) zum Ändern so angeordnet sind, um das austrittsseitige Ende der ersten Energieführungsvorrichtung oder das eintrittsseitige Ende der zweiten Energieführungsvorrichtung in Abhängigkeit von dem zu messenden Parameter zu bewegen, was zu einer Änderung in der Energiestrahlungsweglänge zwischen dem austrittsseitige Ende und der Fokussiervorrichtung bzw. der Fokussiervorrichtung und dem eintrittsseitigen Ende führt.

5. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energieausstrahlvorrichtungen ein Austrittsfenster einer Energiequelle, ein Laser, eine Laserdiode oder eine Lochblende in Verbindung mit einem fokussierenden Element sind.

6. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energieausstrahlvorrichtungen der Energieaustrittsbereich (308, 505, 605, 719) einer Energieführungsvorrichtung (307, 504, 604, 718) sind.

7. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Vorrichtungen zum kohärenten Führen eine Energieführungsvorrichtung (327, 508, 616, 622, 627, 729) oder eine Fokussierungsvorrichtung sind.

8. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energieausrichtvorrichtungen eine Energieverdichtungs- oder eine Fokussierungsvorrichtung (309, 507, 607, 610, 613, 720) sind.

9. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energiesammelvorrichtungen die Blende oder der Energieeintrittsbereich (505, 608, 611, 614, 621) einer Energieführungsvorrichtung sind.

10. Gerät nach Anspruch 4, wobei die Energieführungsvorrichtungen eine energieleitende Faser sind.

11. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energieführungsvorrichtungen zum kohärenten Führen ein Faserbündel für kohärente optische Strahlung sind.

12. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energieführungsvorrichtungen zum kohärenten Führen eine flexible, optische Multimodefaser sind.

13. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energieführungsvorrichtungen zum kohärenten Führen eine flexible, optische Monomodefaser sind.

14. Gerät nach Anspruch 13, wobei die Energie Lichtenergie ist und die numerische Apertur NA der optischen Faser, der Faserkernradius a und die Wellenlänge λ der Energie die folgende Beziehung erfüllen:

2 π NA a/λ ≤ 2,405.

15. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Energie-Interferometer ein Energieteiler oder das Erfassungselement eines Detektors ist.

16. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei die ersten und/oder zweiten Änderungsvorrichtungen zum Ändern der effektiven Energiestrahlungsweglänge eine Abtastvorrichtung (739) umfassen.

17. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energiequelle (501) eine Quelle für elektromagnetische Strahlung ist mit einer Wellenlänge im Bereich des fernen UV bis zum fernen Infrarot, einschließlich derselben.

18. Gerät nach Anspruch 2, 3 oder 17, wobei die ersten und/oder zweiten Änderungsvorrichtungen zum Ändern der effektiven Energiestrahlungsweglänge eine Substanz sind, welche den Brechungsindex im Strahlengang des ersten Energiestrahls ändert.

19. Gerät nach Anspruch 4, wobei es sich bei den ersten und zweiten, die Kohärenz aufrechterhaltenden Energieführungsvorrichtungen um dieselbe Energieführungsvorrichtung (504) handelt.

20. Gerät nach Anspruch 19, wobei die Fokussiervorrichtung einen Reflektor (507) umfaßt.

21. Gerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Energiequelle einen Partikelstrahl, akustische Wellen oder elektromagnetische Strahlung emittiert.

22. Verfahren zum Messen der Änderung der effektiven Energiestrahlungsweglänge eines Energiestrahlungswegs, welches die folgenden Schritte umfaßt:

kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil eines ersten Energiestrahls mittels Energieausrichtvorrichtungen (309, 507, 607, 610, 613, 720), wobei zumindest ein Teil des Strahls im wesentlichen kohärent ist, von Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) zum Ausstrahlen des ersten Energiestrahls von einer Energiequelle (301, 501, 601, 701, 710) auf Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721), wobei der erste Energiestrahl von den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) ungeführt ist;

kohärentes Führen eines zweiten Energiestrahls von der Energiequelle (301, 501, 601, 701, 710) auf ein Energiestrahl-Interferometer (320-326, 512, 620, 625, 723, 736, 738);

Sammeln von zumindest einem Teil des ersten Energiestrahls mittels den Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721);

kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil des gesammelten ersten Energiestrahls auf das Interferometer (320-326, 512, 620, 625, 723, 736, 738), wobei der gesammelte erste Energiestrahl mit dem zweiten Energiestrahl interferiert, wodurch ein Ausgabesignal entsteht;

Ändern der effektiven Energiestrahlungsweglänge des ersten Energiestrahls zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) und den Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721), wodurch sich das Ausgabesignal ändert;

Feststellen der Änderung der effektiven Energiestrahlungsweglänge zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) und den Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721) aus der Änderung im Ausgabesignal, dadurch gekennzeichnet,

daß der erste Energiestrahl im wesentlichen unkollimiert ist in den Bereichen, wo seine Energiestrahlungsweglänge geändert wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Änderung in der effektiven Energiestrahlungsweglänge stattfindet zwischen den Energieausstrahlvorrichtungen (308, 505, 605, 719) und den Energieausrichtvorrichtungen (309, 507, 607, 610, 613, 720).

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei eine weitere Änderung in der effektiven Energiestrahlungsweglänge stattfindet zwischen den Energieausrichtvorrichtungen (308, 505, 605, 719) und den Energiesammelvorrichtungen (317, 505, 608, 611, 614, 721).

25. Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, wobei die Energiequelle einen Partikelstrahl, akustische Wellen oder elektromagnetische Strahlung emittiert.

26. Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, wobei die Energiequelle eine Quelle (301, 501, 601, 701, 710) elektromagnetischer Strahlung ist mit einer Wellenlänge im Bereich vom fernen UV bis zum fernen Infrarot, einschließlich derselben.