DE69115914T2

DE69115914T2 - Interferenzmikroskop

Info

Publication number: DE69115914T2
Application number: DE69115914T
Authority: DE
Inventors: Timothy Dabbs
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1990-08-31
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2011-08-31
Also published as: ATE132252T1; JPH06500857A; EP0546071A1; EP0546071B1; WO1992004594A1; EP0546071A4; CA2090682A1; US5491550A; DE69115914D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Mikroskope zum Messen des Unterschieds (der Unterschiede) zwischen mindestens zwei Energiestrahlungsweglängen.
Herkömmliche Mikroskope haben verglichen mit ihrer lateralen Auflösung eine große Schärfentiefe oder axiale Auflösung. Konfokale Mikroskope haben gegenüber herkömmlichen Mikroskopen eine um ungefähr 30% bessere laterale Auflösung und eine viel bessere axiale Auflösung. Um eine hohe laterale Auflösung der Oberflächenprofile von Objekten zu bekommen, ist es weitverbreitet, Interferenzmikroskope zu verwenden. Es wäre vorteilhaft, die Vorteile eines Interferenzmikroskops mit denen eines konfokalen Mikroskops zu kombinieren. Üblicherweise verwendete konfokale Mikroskope leiden jedoch unter Ausrichtproblemen und erfordern eine große Anzahl von Bauteilen, welche präzise zueinander auf einer optischen Bank angeordnet sein müssen. Konfokale Interferenzmikroskope weisen auch ernsthafte Stabilitätsprobleme auf, bedingt durch solche Störfaktoren wie Luftströmungen oder geringfügige Temperaturfluktuationen. Zusätzlich hat ein herkömmliches konfokales Interferenzmikroskop eine beschränkte Schärfentiefe und es ist auch schwierig, mit ihm eine schnelle Abtastung eines Objekts durchzuführen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, Verfahren und Mikroskope bereitzustellen, mittels deren der Unterschied (die Unterschiede) zwischen zumindest zwei Energiestrahlungsweglängen feststellbar sind.
Zur Erläuterung der Begriffe "interferieren" und "Interferenz" in Übereinstimmung mit dem gemäß der vorliegenden Beschreibung anvisierten Bedeutungsinhalt wird auf "Principles of Optics, Max Born and M.L. Wolf, Pergamon Press, 6th Corrected edition, reprinted 1984, Chapters VII and X" verwiesen.
In der gesamten Beschreibung wird das Wort "Brennfleck" (bzw. "Lichtfleck") im Zusammenhang mit in einem Brennfleck gebündelter Energie so verwendet, daß es sich auf das dreidimensionale Volumen bezieht, welches durch die hohe Energiedichte definiert ist, die den Ort umgibt, der normalerweise als Brennpunkt bezeichnet wird. In der gesamten Beschreibung beziehen sich die Begriffe "Schnittpunkt" und "Schneiden", welche im Zusammenhang mit einem ein Objekt schneidenden Brennfleck verwendet werden, auf eine Schnittfläche zwischen dem Brennfleck und dem Objekt, wobei die Schnittfläche auf oder im Objekt liegt. Wenn im folgenden auf eine kohärente Energiequelle Bezug genommen wird, so wird davon ausgegangen, daß auch teilweise kohärente Energiequellen, wie z. B. eine LED, damit gemeint sein können.
Die US-A-4 627 731 sowie die US-A-4 928 527 offenbaren beide Interferometer, welche optische Fasern verwenden, in denen der Signalstrahl an einer Austrittsöffnung der optischen Faser austritt, auf ein Objekt fokussiert und in die Faser zurückreflektiert wird, und wobei der Referenzstrahl vom stirnseitigen, die Signalstrahlaustrittsöffnung bildenden Ende der Faser reflektiert wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen bereitgestellt, welches umfaßt:
kohärentes Ausrichten eines Teils eines ausleuchtenden Energiestrahls aus einer kohärenten Energiequelle durch eine erste kohärente Energieführungsvorrichtung auf eine Energieaustrittsöffnung, welche als erste Austrittsöffnung bezeichnet wird;
kohärentes Ausrichten eines zweiten Teils des ausleuchtenden Energiestrahls durch eine zweite kohärente Energieführungsvorrichtung auf eine weitere Energieaustrittsöffnung, welche als zweite Austrittsöffnung bezeichnet wird;
wobei der erste und zweite Teil des ausleuchtenden Energiestrahls an dieser ersten und zweiten Austrittsöffnung zumindest teilweise kohärent zueinander sind;
kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher aus dieser ersten Austrittsöffnung austritt, in einen ein Objekt schneidenden Brennfleck;
räumliches, konfokales Ausfiltern und kohärentes Ausrichten auf ein Interferometer von zumindest einem Teil eines kohärenten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem diesen Brennfleck ausleuchtenden Energiestrahl und dem Objekt entsteht, wobei der Signalstrahl kohärent ist zum ausleuchtenden Energiestrahl;
kohärentes Ausrichten zumindest eines Teils des zweiten Teils des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher als Referenzstrahl bezeichnet wird, von der zweiten Austrittsöffnung zum Interferometer, wobei der Energiestrahl und der Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch sich ein Ausgabesignal ergibt; und
Berechnen aus diesem Ausgabesignal einer Energiestrahlungsweglängendifferenz, welche zwischen einem ersten Energiestrahlungsweg, der von der Energiequelle über die erste Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt zwischen dem Brennfleck mit dem Objekt sowie vom Schnittpunkt zum Interferometer führt, sowie einem zweiten Energiestrahlungsweg auftritt, welcher von der Energiequelle durch eine zweite Energieführungsvorrichtung zum Interferometer führt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen, wobei dieses Verfahren umfaßt:
kohärentes Ausrichten eines Teils eines ausleuchtenden Energiestrahls von einer kohärenten Energiequelle durch eine erste kohärente Energieführungsvorrichtung auf eine als erste Austrittsöffnung bezeichnete Energieaustrittsöffnung;
kohärentes Ausrichten eines zweiten Teils des ausleuchtenden Energiestrahls durch eine zweite kohärente Energieführungsvorrichtung auf eine als zweite Austrittsöffnung bezeichnete Energieaustrittsöffnung, wobei der erste und zweite Teil des ausleuchtenden Energiestrahls bei der ersten bzw. zweiten Austrittsöffnung zumindest teilweise kohärent zueinander sind;
kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher aus der ersten Austrittsöffnung austritt, in einen ersten Brennfleck, welcher ein Objekt schneidet;
räumliches konfokales Filtern und kohärentes Ausrichten auf ein Interferometer von zumindest einem Teil eines ersten kohärenten Energiestrahls, welcher an diesem ersten Brennfleck durch Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl und dem Objekt entsteht, wobei der erste Signalstrahl zum ausleuchtenden Energiestrahl kohärent ist;
kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher aus der zweiten Austrittsöffnung austritt, in einen zweiten Brennfleck, welcher das Objekt schneidet;
kohärentes Ausrichten auf das Interferometer von zumindest einem Teil eines zweiten kohärenten Signalenergiestrahls, welcher am zweiten Brennfleck durch die Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl und dem Objekt entsteht, wobei dieser zweite Signalstrahl zum ausleuchtenden Energiestrahl kohärent ist und wobei der erste und zweite Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein Ausgabesignal erzeugt wird;
Berechnen der Energiestrahlungsweglängendifferenz aus diesem Ausgabesignal, wobei diese Energiestrahlungsweglängendifferenz auftritt zwischen einem ersten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des ersten Brennflecks mit dem Objekt und von dort zum Interferometer führt, und einem zweiten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des zweiten Brennflecks mit dem Objekt und von dort weiter zum Interferometer führt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindexes eines Objekts zwischen zwei Punkten im Objekt bereitgestellt, welches die Durchführung des Verfahrens gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung beinhaltet, und wobei das Objekt ein bezüglich der einfallenden Energie teilweise transparentes Objekt ist mit bekannter räumlicher Weglänge zwischen der ersten und zweiten Stelle im Objekt, und wobei der erste Brennfleck diese erste Stelle im Objekt ist, und der zweite Brennfleck durch Fokussieren durch dieses Objekt hindurch von der ersten Stelle zur zweiten Stelle im Objekt entsteht, und wobei dieses Verfahren weiterhin umfaßt:
Bestimmen des Brechungsindexes dieses Objekts zwischen der ersten und zweiten Stelle im Objekt durch Vergleich der Energiestrahlungsweglängendifferenz mit der bekannten räumlichen Weglänge.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Feststellen der Weglänge zwischen zwei Stellen in einem Objekt, welches die Durchführung des Verfahrens gemäß des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung beinhaltet, wobei das Objekt ein bezüglich Energie teilweise transparentes Objekt mit bekanntem Brechungsindex zwischen der ersten und zweiten Stelle in diesem Objekt ist, wobei sich der erste Brennfleck an der ersten Stelle im Objekt befindet und der zweite Brennfleck dadurch gebildet wird, daß durch dieses Objekt hindurch von der ersten Stelle zur zweiten Stelle im Objekt fokussiert wird; und
wobei das Verfahren weiterhin umfaßt:
Feststellen der räumlichen Weglänge zwischen der ersten und zweiten Stelle aus der Energiestrahlungsweglängendifferenz und dem bekannten Brechungsindex.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Feststellen des Brechungsindexes eines Objekts zwischen zwei Stellen in diesem Objekt, wobei dieses Objekt für Energie teilweise transparent ist und eine bekannte räumliche Weglänge zwischen der ersten und zweiten Stelle in diesem Objekt aufweist,
wobei dieses Verfahren umfaßt:
Durchführen des Verfahrens gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung;
kohärentes Ausrichten eines Teils eines weiteren ausleuchtenden Energiestrahls aus einer kohärenten Energiequelle durch diese erste kohärente Energieführungsvorrichtung zur ersten Austrittsöffnung;
kohärentes Ausrichten eines zweiten Teils des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls durch die zweite kohärente Energieführungsvorrichtung zur zweiten Austrittsöffnung,
wobei der erste und zweite Teil des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls an der ersten bzw. zweiten Austrittsöffnung zumindest teilweise kohärent zueinander sind;
kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil weiterer ausgestrahlter Energie von der ersten Austrittsöffnung durch die erste Stelle in das Objekt und in einen zweiten Brennfleck, welcher das Objekt an einer zweiten Stelle schneidet;
räumliches konfokales Ausfiltern und kohärentes Ausrichten auf ein Interferometer von zumindest einem Teil eines zweiten kohärenten Signalenergiestrahls, welcher durch Wechselwirkung zwischen dem weiteren ausleuchtenden Energiestrahl vom zweiten Brennfleck und dem Objekt an der zweiten Stelle entsteht, wobei der zweite Signalstrahl kohärent zum ausleuchtenden Energiestrahl ist;
kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil des zweiten Teils des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls, welcher als zweiter Referenzstrahl bezeichnet wird, von der zweiten Austrittsöffnung zum Interferometer, wobei der zweite Referenzstrahl und der zweite Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein zweites Ausgabesignal erzeugt wird; und
Berechnen der zweiten Energiestrahlungsweglängendifferenz aus diesem zweiten Ausgabesignal, wobei die zweite Energiestrahlungsweglängendifferenz auftritt zwischen einem dritten Energiestrahlungsweg, der von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung hindurch zum Schnittpunkt des zweiten Brennflecks mit dem Objekt an der zweiten Stelle und von der zweiten Stelle zum Interferometer führt, sowie einem vierten Energiestrahlungsweg, der von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung hindurch zum Interferometer führt;
Ermitteln des Brechungsindexes des Objekts zwischen der ersten und zweiten Stelle im Objekt durch Vergleichen der Differenz zwischen der ersten und zweiten Energiestrahlungsweglängendifferenz mit der bekannten räumlichen Weglänge.
Für den Fall, daß keine der die zweite Weglänge beeinflussenden Größen sich ändert, sind der vierte Energiestrahlungsweg und der zweite Energiestrahlungsweg derselbe.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Ermitteln der räumlichen Weglänge zwischen zwei Stellen in einem Objekt, wobei das Objekt für Energie teilweise transparent ist mit einem bekanntem Brechungsindex zwischen der ersten und zweiten Stelle im Objekt,
wobei dieses Verfahren umfaßt:
Ausführen des Verfahrens gemäß des ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung;
kohärentes Ausrichten eines Teils eines weiteren ausleuchtenden Energiestrahls aus einer kohärenten Energiequelle durch die erste kohärente Energieführungsvorrichtung hindurch zur ersten Austrittsöffnung;
kohärentes Ausrichten eines zweiten Teils des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls durch die zweiten kohärente Energieführungsvorrichtung hindurch zur zweiten Austrittsöffnung,
wobei der erste Teil und der zweite Teil des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls bei der ersten bzw. zweiten Austrittsöffnung zumindest teilweise kohärent zueinander sind;
kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil weiterer ausleuchtender Energie, welche von der ersten Austrittsöffnung über die erste Stelle in durch das Objekt zu einem zweiten Brennfleck verläuft, welcher das Objekt an einer zweiten Stelle schneidet;
räumliches konfokales Ausfiltern und kohärentes Ausrichten auf eine Interferometer von zumindest einem Teil eines zweiten kohärenten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem weiteren ausleuchtenden Energiestrahl am zweiten Brennfleck und dem Objekt an der zweiten Stelle entsteht, wobei der zweite Signalstrahl kohärent zum ausleuchtenden Energiestrahl ist;
kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil des zweiten Teils des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls, welcher im weiteren als zweiter Referenzstrahl bezeichnet wird, von der zweiten Austrittsöffnung auf das Interferometer, wobei der zweite Referenzstrahl und der zweite Signalstrahl miteinander interferieren und wodurch ein zweites Ausgabesignal entsteht; und
Berechnen der Energiestrahlungsweglängendifferenz aus dem zweiten Ausgabesignal, wobei die zweite Energiestrahlungsweglängendifferenz auftritt zwischen einem dritten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung hindurch zum Schnittpunkt des Brennflecks mit dem Objekt an der zweiten Stelle und von der zweiten Stelle zum Interferometer verläuft, sowie einem vierten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung hindurch zum Interferometer verläuft; und
Ermitteln der räumlichen Weglänge zwischen der ersten und zweiten Stelle im Objekt durch Vergleichen der Differenz zwischen der ersten und zweiten Energiestrahlungsweglängendifferenz mit dem bekannten Brechungsindex.
Falls keine der die zweite Weglänge beeinflussenden Größen sich ändert, fallen der vierte Energiestrahlungsweg und der zweite Energiestrahlungsweg zusammen.
Die folgenden Anmerkungen beziehen sich auf den ersten bis sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Typischerweise umfassen die Verfahren zusätzlich einen Schritt zum Abtasten des Objekts durch Hin- und Herbewegen der Brennflecke (bzw. des Brennflecks) relativ zum Objekt.
Die Brennflecke können relativ zum Objekt verschoben werden durch Hin- und Herbewegen der ersten Austrittsöffnung und typischerweise auch der zweiten Austrittsöffnung und/oder der Fokussiervorrichtungen und/oder des Objekts.
Die Verfahren gemäß des vierten und sechsten Aspekts der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, um zwei verschiebbare Stellen in einem Objekt mit einer sehr hohen Auflösung präzise auszurichten.
Die Verfahren gemäß des dritten und fünften Aspekts der vorliegenden Erfindung können dazu verwendet werden, mit sehr hoher Auflösung den anpaßbaren Brechungsindex in einem Objekt zwischen zwei Stellen sehr genau anzupassen.
Im verfahrensgemäßen Schritt des Berechnens kann ein Speicher verwendet werden, um die Weglängendifferenzen für verschiedene Stellen der Schnittpunkte der Brennflecke mit dem Objekt zu speichern, wodurch die Höhendifferenzen zwischen Stellen im und in der Nähe des Objekts durch Vergleichen der Weglängendifferenzen ermittelt werden.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren kann ein zweidimensionales Interferogramm einer Oberfläche erzeugt werden durch Verschieben der Brennflecke (des Brennflecks) in einem zweidimensionalen Gitter in der Ebene der Oberfläche und interferometrisches Bestimmen der Höhendifferenz zwischen Punkten auf dem Gitter. Eine dieser Anwendungen könnte zum Beispiel eine zweidimensionale Karte des Brechungsindexes eines Objekts liefern.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren kann ein dreidimensionales Interferogramm eines Objekts erzeugt werden durch Bewegen der Brennflecke (des Brennflecks) in einem dreidimensionalen Gitter in und um das Objekt herum sowie interferometrischem Bestimmen der Höhendifferenzen zwischen Punkten im Gitter. Eine dieser Anwendungen würde eine dreidimensionale Karte des Brechungsindexes eines Objekts erzeugen.
Zwei- oder dreidimensionale Spannungsdiagramme eines Objekts können dadurch aufgebaut werden, daß Interferogramme vor und nach dem Einwirken einer Verformungskraft oder Energie (wie z. B. Hitze) miteinander verglichen werden.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Messen längs einer Linie an der Oberfläche eines Objekts das Oberflächenprofil, die Oberflächenrauhigkeit oder Oberflächenneigung mit einem hohen Grad an Genauigkeit bestimmt werden.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren kann durch Messen längs zweier Linien längs zweier Oberflächen eines Objekts ein Brechungsindexprofil oder ein Weglängen- oder Dickenprofil mit einem hohen Grad an Genauigkeit ermittelt werden.
Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren kann, wenn das fragliche Objekt ein Informationsspeicherobjekt ist, in welchem Information durch Höhenunterschiede an einer Vielzahl von Informationsspeicherstellen an oder im Objekt verschlüsselt ist, die betreffende Information gelesen werden. Da die erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können, um Höhenunterschiede mit einer kleinen Schärfentiefe zu lesen, kann eine Vielzahl von parallelen Flächen durch ein Objekt hindurch lokalisiert und gelesen werden. Da die Verfahren mit einem hohen Grad an axialer Auflösung verwendet werden können, kann zusätzlich die Informationsverschlüsselung in einem komplexen Code, wie z.B. Oktal-Code, ebenso wie in einem simplen Code, wie z. B. Binärcode, erfolgen. Weiterhin könnte die Informationsverschlüsselung mittels einer auf dem Brechungsindex beruhenden Verschlüsselung anstelle einer auf Höhenwerten beruhenden Verschlüsselung erfolgen.
Gemäß eines siebten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Mikroskop bereitgestellt zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängendifferenzen, welches umfaßt:
eine Energiequelle, welche einen ausleuchtenden Energiestrahl ausstrahlt, wobei zumindest ein Teil des ausleuchtenden Energiestrahls im wesentlichen kohärent ist;
eine erste kohärente Energieführungsvorrichtung, welche mit der Energiequelle zusammenwirkt, um einen ersten Teil des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls kohärent zu empfangen, wobei die erste kohärente Energieführungsvorrichtung eine Energieaustrittsöffnung umfaßt, welche als erste Austrittsöffnung bezeichnet wird;
eine zweite kohärente Energieführungsvorrichtung, welche mit der Energiequelle zusammenwirkt, um einen zweiten Teil des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls kohärent zu empfangen, wobei die zweite kohärente Energieführungsvorrichtung eine Energieaustrittsöffnung hat, welche als zweite Austrittsöffnung bezeichnet wird,
wobei die ausleuchtenden Energiestrahlen bei der ersten und zweiten Austrittsöffnung kohärent zueinander sind;
eine Energiefokussiervorrichtung, welche mit der ersten Austrittsöffnung zusammenwirkt, um zumindest einen Teil eines aus der ersten Austrittsöffnung austretenden ausleuchtenden Energiestrahls kohärent in einem Brennfleck zu fokussieren, welcher ein Objekt schneidet;
eine erste Energieausrichtvorrichtung, welche mit der ersten Austrittsöffnung der Energiefokussiervorrichtung zusammenwirkt zum räumlichen und konfokalen Filtern sowie kohärenten Ausrichten von zumindest einem Teil eines Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl im Brennfleck und dem Objekt entsteht, auf ein Interferometer, wobei der Signalstrahl kohärent ist zum ausleuchtenden Energiestrahl;
eine zweite Energieausrichtvorrichtung, welche mit der zweiten Austrittsöffnung und dem Interferometer zusammenwirkt, um zumindest einen Teil des zweiten Teils des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher als Referenzstrahl bezeichnet wird, kohärent von der zweiten Austrittsöffnung auf das Interferometer auszurichten, wobei der Referenzstrahl und der Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein Ausgabesignal entsteht;
einen Rechner, welcher mit dem Interferometer zusammenwirkt, um aus dem Ausgabesignal die Energiestrahlungsweglängendifferenz zu berechnen zwischen einem ersten Energiestrahlungsweg, welcher über die Energiefokussiervorrichtung von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des Brennflecks mit dem Objekt und über die erste Energieausrichtvorrichtung vom Schnittpunkt zum Interferometer verläuft, sowie einem zweiten Energiestrahlungsweg, welcher über die zweite Energieausrichtvorrichtung von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung zum Interferometer verläuft.
Gemäß eines achten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Mikroskop bereitgestellt zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen, welches umfaßt:
eine Energiequelle, welche einen ausleuchtenden Energiestrahl aussendet, wobei zumindest ein Teil des ausleuchtenden Energiestrahls im wesentlichen kohärent ist;
eine erste kohärente Energieführungsvorrichtung, welche mit der Energiequelle zusammenwirkt, um einen ersten Teil des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls kohärent zu empfangen, wobei die erste kohärente Energieführungsvorrichtung eine Energieaustrittsöffnung umfaßt, welche als erste Austrittsöffnung bezeichnet wird;
eine zweite kohärente Energieführungsvorrichtung, welche mit der Energiequelle zusammenwirkt, um einen zweiten Teil des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls kohärent zu empfangen, wobei die zweite kohärente Energieführungsvorrichtung eine Energieaustrittsöffnung umfaßt, welche als zweite Austrittsöffnung bezeichnet wird,
wobei die ausleuchtenden Energiestrahlen bei der ersten und zweiten Austrittsöffnung kohärent zueinander sind;
eine erste Energiefokussiervorrichtung, welche mit der ersten Austrittsöffnung zusammenwirkt, um zumindest einen Teil der von der ersten Austrittsöffnung austretenden ausleuchtenden Energie in einem ersten Brennfleck, welcher das Objekt schneidet, kohärent zu fokussieren;
eine erste Energieausrichtvorrichtung, welche mit der ersten Austrittsöffnung und der ersten Energiefokussiervorrichtung zusammenwirkt zum räumlichen und konfokalen Filtern und kohärentem Ausrichten auf das Interferometer von zumindest einem Teil eines ersten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl im ersten Brennfleck und dem Objekt entsteht, wobei der erste Signalstrahl zum ausleuchtenden Energiestrahl kohärent ist;
eine zweite Energiefokussiervorrichtung, welche mit der zweiten Austrittsöffnung zusammenwirkt zum kohärenten Fokussieren von zumindest einem Teil des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher aus der zweiten Austrittsöffnung in einen das Objekt schneidenden zweiten Brennfleck austritt;
eine zweite Energieausrichtvorrichtung, welche mit der zweiten Austrittsöffnung und der zweiten Energiefokussiervorrichtung zusammenwirkt zum kohärenten Ausrichten auf das Interferometer von zumindest einem Teil des zweiten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl im zweiten Brennfleck und dem Objekt entsteht, wobei der zweite Signalstrahl kohärent ist zum ausleuchtenden Energiestrahl;
wobei der erste und zweite Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein Ausgabesignal erzeug wird; und
einen Rechner, welcher mit dem Interferometer zusammenwirkt, um aus dem Ausgabesignal die Energiestrahlungsweglängendifferenz zu ermitteln zwischen einem ersten Energiestrahlungsweg, der über die erste Energiefokussiervorrichtung von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des ersten Brennflecks mit dem Objekt und über die erste Energieausrichtvorrichtung vom Schnittpunkt des ersten Brennflecks mit dem Objekt zum Interferometer führt, sowie einem zweiten Energiestrahlungsweg, der über die zweite Energiefokussiervorrichtung von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des zweiten Brennflecks mit dem Objekt führt und über die zweite Energieausrichtvorrichtung vom Schnittpunkt des zweiten Brennflecks mit dem Objekt zum Interferometer.
Bei der ersten und zweiten Energiefokussiervorrichtung kann es sich um dieselbe Energiefokussiervorrichtung oder verschiedene Energiefokussiervorrichtungen handeln.
Der erste und zweite Brennfleck können einander teilweise überlappend benachbart liegen, axial und/oder lateral voneinander abgesetzt sein und/oder in verschiedenen Stellen im Objekt oder in verschiedenen Objekten vorliegen.
Die folgenden Anmerkungen beziehen sich auf den siebten und achten Aspekt der vorliegenden Erfindung:
Die erste und zweite kohärente Energieführungsvorrichtung kann dieselbe kohärente Energieführungsvorrichtung sein und/oder die erste sowie zweite Energieausrichtvorrichtung kann dieselbe Energieausrichtvorrichtung sein.
Die erste und/oder zweite Energieausrichtvorrichtung kann eine Energieführungsvorrichtung umfassen, eine Lochblende, eine Streuvorrichtung, einen Reflektor, eine Polarisationsvorrichtung, wie z. B. einen Polarisator, einen Polarisationsrotator (z.B. eine Pockels-Zelle), welcher den Kerr-Effekt oder den Faraday-Effekt verwendet, eine Energiebündelungsvorrichtung oder Energiefokussiervorrichtung (incl. einer virtuellen Fokussiervorrichtung), bei dem es sich um die Energiefokussiervorrichtung handeln kann, oder die erste und/oder die zweite Energiefokussiervorrichtung, oder eine anderen Energiefokussiervorrichtung, oder eine Kombination hiervon, welche relativ zum Objekt ruhen oder bewegbar ist.
Falls der Signalstrahl mittels einer Energiefokussiervorrichtung eingefangen und in eine Energieführungsvorrichtung eingekoppelt wird, kann gesagt werden, daß die Energiefokussiervorrichtung an ihrem Eingang den Kern der Energieführungsvorrichtung auf den Brennfleck abbildet. In diesem Fall gilt für die numerische Apertur NA des Signals, welches aus dem zentralen Bereich des Brennflecks ausgesendet wird, die Wellenlänge λ der Signalenergie (und ausleuchtenden Energie) sowie den durchschnittlichen Durchmesser d des Kerns der Energieführungsvorrichtung an ihrem Eintritt die folgende Gleichung:
NA < oder 0,6 λ/d.
Falls der Signalstrahl von einer Energiefokussiervorrichtung eingefangen und in eine Energieführungsvorrichtung eingekoppelt wird, so gilt typischerweise für die numerische Apertur NA des aus dem zentralen Bereich des Brennflecks stammenden Signals, der Wellenlänge λ der Signalenergie und dem durchschnittlichen Durchmesser d des Energieführungsvorrichtungskerns der Energieführungsvorrichtung an ihrem Eintritt die folgende Gleichung:
NA < oder 0,13 λ/d.
Die erste und/oder zweite Energieausrichtvorrichtung kann Teile der ersten und/oder zweiten Energieführungsvorrichtung umfassen.
Die erste und die zweite Austrittsöffnung können so miteinander gekoppelt sein, daß sie relativ zueinander ruhen, und das Mikroskop kann weiterhin eine Abtastvorrichtung umfassen, welche mit den Austrittsöffnungen zusammenwirkt, um die Brennflecke (den Brennfleck) relativ zum Objekt zu verschieben.
Die erste und/oder die zweite Austrittsöffnung können einen Kollimator zum Kollimieren der von dort austretenden Energie umfassen.
Der erste und/oder zweite Energiestrahlungsweg kann einen Energieabschwächer umfassen.
Der erste und/oder zweite Energiestrahlungsweg kann einen Energiestrahlungsweglängenwandler umfassen.
Der Rechner kann mit dem Energiestrahlungsweglängenwandler zusammenwirken, um bei Betrieb des Interferometers eine Phasenverschiebung interferierender Teilwellen von 90º zueinander zu ermöglichen.
Ein Energiedetektor kann mit der ersten Energieausrichtvorrichtung zusammenwirken, um die Intensität der Signalenergie zu erfassen. Der Detektor kann mit dem Ende einer Energieführungsvorrichtung zusammenwirken, welche mit einem Energiestrahlteiler in der ersten Energiefuhrungsvorrichtung zusammenwirkt.
Ein Energiedetektor kann mit der zweiten Energieausrichtvorrichtung zusammenwirken, um die Intensität des Referenzstrahls zu erfassen. Der Detektor kann mit dem Ende einer Energieführungsvorrichtung zusammenwirken, welche mit einem Energiestrahlteiler in der zweiten Energieführungsvorrichtung zusammenwirkt.
Es kann ein Gerät vorgesehen sein zum Messen der Änderung einer Energiestrahlungsweglänge, wie sie in der internationalen Patentanmeldung Nr. PCT/AU91/00154 (vormals australische provisorische Patentanmeldung Nr. PJ9777) offenbart ist, und welches mit der ersten und zweiten Austrittsöffnung zusammenwirkt, um die Position der ersten Austrittsöffnung relativ zur Energiefokussiervorrichtung oder die Position der zweiten Austrittsöffnung relativ zur Referenzposition zu ermitteln.
Das Mikroskop kann eine dritte kohärente Energieführungsvorrichtung umfassen, die mit der Energiequelle zusammenwirkt, einen ersten Energiestrahlteiler, welcher mit der dritten kohärenten Energieführungsvorrichtung und der ersten sowie zweiten Energieführungsvorrichtungen zusammenwirkt, wodurch die kohärente ausleuchtende Energiestrahlung, welche aus der Energiequelle austritt, kohärent in die dritte Energieführungsvorrichtung eingekoppelt wird, welche einen Teil der einfallenden Energie kohärent zum ersten Energiestrahlteiler leitet, wo ein Teil der Energie kohärent in die erste Energieführungsvorrichtung eingekoppelt wird und ein anderer Teil der ausleuchtenden Energie kohärent in die zweite Energieführungsvorrichtung eingekoppelt wird. Der erste Energiestrahlteiler kann das Interferometer sein.
Das Energieinterferometer kann ein zweiter Energiestrahlteiler oder das Erfassungselement eines Detektors sein. Der zweite Energiestrahlteiler und der erste Energiestrahlteiler können Teile desselben Energiestrahlteilers sein.
Das Mikroskop kann eine Abtastvorrichtung umfassen, welche mit der ersten Austrittsöffnung zusammenwirkt und typischerweise auch mit der zweiten Austrittsöffnung, und/oder der Energiefokussiervorrichtung und/oder dem Objekt, wodurch der Brennfleck relativ zum Objekt verschoben werden kann.
Die Polarisierung des ersten und zweiten Teils des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls kann um einen bestimmten Winkel zueinander verschoben sein.
Die Wechselwirkung zwischen einem Brennfleck mit einem Objekt kann Absorption durch die Oberfläche sein, Streuung, Reflexion, Emission mit mit dem ausleuchtenden Energiestrahl verbundener Kohärenz, wie zum Beispiel spontane Emission, oder andere, die Kohärenz zumindest teilweise aufrechterhaltende Wechselwirkungen.
Der Rechner kann einen Speicher umfassen, um die Weglängendifferenzen für Positionen der Schnittpunkte des Brennflecks mit dem Objekt zu speichern, wodurch der Rechner die Höhendifferenz zwischen zwei Positionen auf dem Objekt durch Vergleich der Weglängendifferenz ermitteln kann.
Die Energiequelle kann einen Partikelstrahl bereitstellen, wie zum Beispiel einen Neutronen-, Protonen- oder Elektronenstrahl oder einen Strahl von Alphateilchen, akustische Wellen, wie zum Beispiel Schallwellen, oder elektromagnetische Strahlung, wie zum Beispiel Gammastrahlen, Röntgenstrahlen, 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 vom fernen UV bis zum fernen Infrarot, einschließlich derselben, und die Energieführungsvorrichtung ist eine optische Faser.
Beispiele für Lichtquellen umfassen glühende Lichtquellen, wie zum Beispiel Wolframdrahtlampen, Dampflampen, wie zum Beispiel Halogenlampen inklusive Natrium und Joddampflampen, Entladungslampen, wie Xenonbogenlampen und Quecksilberbogenlampen, Festkörperlichtquellen, wie Fotodioden, superradiante Dioden (super radiant diodes), lichtemittierende Dioden, Laserdioden, elektrolumineszente Lichtquellen, frequenzverdoppelnde Laser, Laserlichtquellen, wie zum Beispiel Edelgas-Laser sowie Argon-Laser, Argon/Krypton-Laser, Neon-Laser, Helium-Neon-Laser, Xenon-Laser und Krypton-Laser, Kohlenmonoxid- und Kohlendioxid-Laser, Metallionen-Laser, wie zum Beispiel Kadmium-, Zink-, Quecksilber- oder Selenionen-Laser, Bleisalz-Laser, Metalldampf-Laser, wie zum Beispiel Kupfer - und Golddampf- Laser, Stickstoff-Laser, Rubin-Laser, Jod-Laser, Neodym-Glas oder Neodym- YAG-Laser, Farbstoff-Laser, wie zum Beispiel Farbstoff-Laser, welche Rhodamin 640, Kiton Red 620 oder Rhodamin 590 als Farbstoff verwenden und Laser mit dotierten Fasern.
Bei der Energiefokussiervorrichtung kann es sich um refraktive Linsen handeln, inklusive Mikroskopobjektiven, reflektiven Linsen und/oder holographisch optische Elemente. Falls die Energie eine Frequenz außerhalb des UV bis nahen Infrarotbereichs umfaßt oder andere Arten von Energien vorliegen, können analoge Fokussierungselemente anstelle der optischen Fokussierungselemente verwendet werden.
Die Energieführungsvorrichtung kann ein stabförmiger Wellenleiter sein. Der stabförmige Wellenleiter kann eine stabförmige Monomodefaser sein.
Die Energieführungsvorrichtung kann eine Energieführungsfaser sein.
Die Energieführungsvorrichtung kann eine optische Multimodefaser sein.
Die Energieführungsvorrichtung kann eine optische Monomodefaser sein. Zum Beispiel wird eine 4 um-Faser verwendet, bei der es sich bei einer Wellenlänge von 633 Nanometer um eine Monomodefaser handelt, vorausgesetzt ein passendes Brechungsindexprofil liegt vor. Eine optische Faser mit stufenförmigem Verlauf des Brechungsindexes wird zur Monomodefaser, wenn die numerische Apertur NA, der Faserkernradius a und die Wellenlänge des Lichts die folgende Beziehung erfüllen:
2 π NA a/λ ≤ 2,405.
Bei der Energieführungsvorrichtung kann es sich um ein kohärentes Faserbündel handeln.
Bei dem Energiestrahlteiler kann es sich um einen Energieführungskoppler, wie zum Beispiel einen optischen Faserkoppler oder einen massiven optischen Strahlteiler handeln. Der optische Faserkoppler kann ein zusammengeschweißtes bikonisches Koppelprisma sein, ein aus einem geschliffenen Block bestehender Koppler, ein sich einschnürender und geätzter Koppler oder ein optischer Koppler basierend auf einem massiven Teil mit Fasereingangs- und -ausgangsbündeln, eine planare Wellenleitervorrichtung, welche auf fotolithographischen oder Ionendiffusions-Fabrikationsschritten beruht, oder auch ein anderer äquivalenter Koppler.
Die Abtastvorrichtung kann eine piezoelektrische Bühne sein, eine Kombination aus magnetischem Kern und magnetischer Spule, ein mechanischer Vibrator, ein elektromechanischer Vibrator, eine mechanische oder elektromechanische Abtastvorrichtung, wie zum Beispiel ein Servomotor, eine elektrooptische Abtastvorrichtung mit akustischem Koppler oder andere passende Vorrichtungen.
Der Rechner kann optische, elektrische, optoelektrische, mechanische oder magnetische Elemente umfassen oder kann solche Techniken verwenden, wie z. B. optische und elektrische Phasenschwebverfahren, Vielflächendetektoren mit 90º Phasenverschiebung oder Phaseneinschlußschleifen-Verfahren.
Das Objekt kann eine Flüssigkeit oder ein Festkörper oder andere Materie sein. Das Mikroskop oder die Verfahren können leicht dazu verwendet werden, die Gestalt eines optischen Elements zu ermitteln.
Es kann vorgesehen sein, daß die Energie nicht in die Oberfläche des Objekts eindringt, oder daß sie eine bestimmte Strecke weit in die Oberfläche eintritt.
In der Regel wird gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Mikroskop bereitgestellt zum Messen der Differenz zwischen zwei optischen Weglängen, wobei es sich bei der Energiequelle um eine Lichtquelle handelt, welche ausleuchtendes Licht ausstrahlt, bei dem zumindest eine Wellenlänge im Bereich vom fernen UV bis zum fernen Infrarot liegt;
wobei diese erste Energieführungsvorrichtung eine erste optische Faser umfaßt, welche mit einem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um einen ersten Teil des ausleuchtenden kohärenten Lichtstrahls kohärent zu empfangen, wobei die erste optische Faser einen zweiten Strahlteiler sowie eine Lichtaustrittsöffnung umfaßt, bei der es sich um die erste Austrittsöffnung handelt;
wobei die zweite Energieführungsvorrichtung eine zweite optische Faser umfaßt, die mit der Lichtquelle zusammenwirkt, um einen zweiten Teil des kohärenten ausleuchtenden Lichtstrahls über den ersten Strahlteiler kohärent zu empfangen, wobei die zweite optische Faser eine Lichtaustrittsöffnung umfaßt, welche als zweite Austrittsöffnung bezeichnet wird, und weiterhin einen optischen Weglängenwandler umfaßt;
wobei die Energiefokussiervorrichtung eine Lichtfokussiervorrichtung ist zum kohärenten Fokussieren von zumindest einem Teil des von der ersten Austrittsöffnung stammenden ausleuchtenden Lichts in dem Brennfleck, wobei es sich bei diesem um einen beugungsbegrenzten Brennfleck handelt;
wobei die erste Energieausrichtvorrichtung die Energiefokussiervorrichtung umfaßt zum kohärenten Ausrichten von zumindest einem Teil eines Signallichtstrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck und dem Objekt entsteht, über die erste optische Faser und den zweiten Strahlteiler auf die erste Austrittsöffnung und dadurch auf den ersten Strahlteiler, der als das Interferometer dient;
wobei die numerische Apertur NA des Signalstrahls, welcher aus dem zentralen Bereich des Brennflecks stammt, die Wellenlänge k des Signallichtstrahls, und der Durchschnittsdurchmesser d des lichtleitenden Kerns der ersten optischen Faser an der ersten Austrittsöffnung die folgende Beziehung erfüllt:
NA < oder 0,6 k/d;
wobei die zweite Energieausrichtvorrichtung einen Lichtreflektor umfaßt zum kohärenten Ausrichten des Referenzstrahls über die zweiten Austrittsöffnung und die zweite optische Faser auf den ersten Strahlteiler;
wobei das Mikroskop weiterhin umfaßt:
einen Detektor, welcher mit dem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um das Ausgabesignal zu erfassen;
eine Abtastvorrichtung, welche mit der ersten und zweiten Austrittsöffnung zusammenwirkt, wobei die erste und zweite Austrittsöffnung relativ zur Fokussiervorrichtung und zum Reflektor verschiebbar sind, wobei die Fokussiervorrichtung und der Reflektor relativ zum Objekt ruhen, aber wobei die Austrittsöffnungen nicht relativ zueinander verschiebbar sind; und
einen zweiten Detektor, welcher mit dem zweiten Strahlteiler zusammenwirkt, um Signallicht aus der ersten optischen Faser zu erfassen; und
wobei dieser Rechner mit dem Weglängenwandler, mit dem ersten Detektor und dem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um die Interferenz zwischen dem Referenz- und Signalstrahl mit einer Phasenverschiebung von 90º aufrechtzuerhalten und über den zweiten Detektor zu bestimmen, wann der Brennfleck im wesentlichen auf die Oberfläche des Objekts fokussiert ist.
Zusätzlich wird ein Mikroskop gemäß dem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestellt zum Messen der Differenz zwischen zwei optischen Weglängen, wobei die Energiequelle eine Lichtquelle ist, welche ausleuchtendes Licht ausstrahlt, von dem zumindest eine Wellenlänge sich im Bereich zwischen dem fernen UV und dem fernen IR befindet;
wobei die erste Energieführungsvorrichtung eine erste optische Faser umfaßt, welche mit einem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um einen ersten Teil des ausleuchtenden Lichtstrahls kohärent zu empfangen, wobei die erste optische Faser einen zweiten Strahlteiler und eine Lichtaustrittsöffnung umfaßt, welches die erste Austrittsöffnung ist;
wobei die zweite Energieführungsvorrichtung eine zweite optische Faser umfaßt, die mit der Lichtquelle zusammenwirkt, um einen zweiten Teil des kohärenten ausleuchtenden Lichtstrahls über den ersten Strahlteiler zu empfangen, wobei die zweite optische Faser eine Lichtaustrittsöffnung aufweist, welche die zweite Austrittsöffnung ist und einen Weglängenwandler umfaßt;
wobei die erste Energiefokussiervorrichtung eine Lichtfokussiervorrichtung zum kohärenten Fokussieren von zumindest einem Teil des ausleuchtenden Lichts ist, welches aus der ersten Austrittsöffnung heraustritt und auf den ersten Brennfleck gelenkt wird, bei dem es sich um einen beugungsbegrenzten Brennfleck handelt;
wobei die erste Energieausrichtvorrichtung die Fokussiervorrichtung umfaßt, welche zum kohärenten Ausrichten zumindest eines Teils eines ersten durch die Wechselwirkung zwischen dem ersten Brennfleck und dem Objekt entstehenden Signallichtstrahls auf die erste Austrittsöffnung dient und dadurch über die erste optische Faser und den zweiten Strahlteiler auf den ersten Strahlteiler, bei dem es sich um das Interferometer handelt,;
wobei die numerische Apertur NA des ersten Signalstrahls, welcher aus dem zentralen Bereich des ersten Brennflecks stammt, die Wellenlänge k des ersten Signallichtstrahls, und der durchschnittliche Durchmesser d des lichtführenden Kerns der ersten optischen Faser an der ersten Austrittsöffnung die folgende Beziehung erfüllen:
NA < oder 0,6 k/d;
wobei es sich bei der Lichtfokussiervorrichtung um die zweite Energiefokussiervorrichtung zum kohärenten Fokussieren von zumindest einem Teil des ausleuchtenden Lichts handelt, welches von der zweiten Austrittsöffnung kommend in den zweiten Brennfleck geführt wird, bei dem es sich um einen beugungsbegrenzten Brennfleck handelt;
wobei die zweite Energieausrichtvorrichtung auch die Fokussiervorrichtung umfaßt zum kohärenten Ausrichten von zumindest einem Teil des zweiten Signallichtstrahls, welcher aus der Wechselwirkung zwischen dem zweiten Brennfleck und dem Objekt resultiert, auf die zweite Austrittsöffnung und dabei über die zweite optische Faser auf den ersten Strahlteiler;
wobei die numerische Apertur NA des aus dem zentralen Bereich des zweiten Brennflecks kommenden zweiten Signalstrahls, die Wellenlänge k des zweiten Signallichtstrahls sowie der durchschnittliche Durchmesser d des lichtführenden Kerns der zweiten optischen Faser an der zweiten Austrittsöffnung die folgende Beziehung erfüllen:
NA < oder 0,6 k/d;
wobei das Mikroskop weiterhin umfaßt:
einen ersten Detektor, welcher mit dem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um das Ausgabesignal zu erfassen;
eine Abtastvorrichtung, welche mit der ersten Austrittsöffnung sowie der zweiten Austrittsöffnung zusammenwirkt, wobei die erste Austrittsöffnung und die zweite Austrittsöffnung relativ zur ihrerseits relativ zum Objekt ruhenden Fokussiervorrichtung verschiebbar sind, aber nicht relativ zueinander bewegbar sind; und
wobei ein zweiter Detektor mit dem zweiten Strahlteiler zusammenwirkt, um Signallicht aus der ersten optischen Faser zu erfassen; und
dieser Rechner zusammenwirkt mit dein Weglängenwandler, dem ersten Detektor und dem ersten Strahlteiler, um die Interferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Signalstrahl in einer Phasenverschiebung von 90º zu halten und über den zweiten Detektor zu bestimmen, wann die erste Öffnung im wesentlichen auf die Oberfläche des Objekts fokussiert ist.
Das erfindungsgemäße Mikroskop kombiniert die Auflösungsvorteile eines konfokalen Mikroskops mit denen eines Interferenzmikroskops, während es zum anderen relativ einfach auszurichten ist und nur eine relativ kleine Anzahl von Bauteilen erfordert, welche nicht auf einer optischen Bank aufmontiert sein müssen. Zusätzlich ist das Ausgabesignal des erfindungsgemäßen Interferometers relativ stabil, wenn Energiefasern als Energieführungsvorrichtungen verwendet werden, als Ergebnis der Führung von Energie in den Fasern. Weiterhin bietet das Mikroskop eine relativ große Schärfentiefe und erlaubt über die Bewegung der Energieführungsvorrichtung schnelle Abtastvorgänge.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Interferenzmikroskops;
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brechungsindexprofil-Abtastvorrichtung;
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Speicherlesekopfs;
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Oberflächenprofilabtastvorrichtung;
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikroskops zum Messen der Differenz zwischen Energiestrahlungsweglängen; und
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Differenz-Interferenzmikroskops.
Fig. 1 zeigt ein Mikroskop 100 zum Messen der Differenz zwischen Energiestrahlungsweglängen, welches eine kohärente Laserdiode 101 aufweist, die über die Monomodefaser 103 mit dem optischen Koppler 102 für Monomodefasern verbunden ist. Der Koppler 102 weist die Ports 104, 105, 106 und 107 auf. Das Port 105 ist über die Monomodefaser 109 mit dem Monomodefaser-Koppler 108 verbunden. Der Koppler 108 weist die Ports 110, 111, 112 und 113 auf. Das Port 113 des Kopplers ist mit der Monomodefaser 114 verbunden, welche eine Austrittsöffnung 115 aufweist. Das Port 107 des Kopplers 102 ist mit der Monomodefaser 116 verbunden. Die Monomodefaser 116 ist teilweise um einen piezoelektrischen Zylinder 117 gewickelt und mit dem Abschwächer 118 verbunden. Die Monomodefaser 119 ist mit dem Abschwächer 118 verbunden und an der GRIN-Stablinse 120 angebracht, bei dessen Ende 121 es sich um die effektive Austrittsöffnung der Faser 119 handelt. Ausleuchtende Lichtstrahlen, welche aus den Enden 121 und 115 austreten, sind zueinander kohärent. Die Linse 122 wirkt mit der Ausstrittsöffnung 115 zusammen, um zumindest einen Teil des aus der Ausstrittsöffnung 115 austretenden Lichts kohärent in einen Brennfleck 125 zu fokussieren, welcher die Oberfläche 123 des Objekts 124 ungefähr schneidet. Die Linse 122 ist so ausgelegt, daß sie zumindest einen Teil des gestreuten Signallichtstrahls einsammelt, welcher aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck 125 und der Oberfläche 123 entsteht, wobei der Signallichtstrahl relativ zum ausleuchtenden Strahl kohärent ist. Aufgrund der Umkehrbarkeit des Strahlengangs wird ein Teil des von der Linse 122 gesammelten Lichts in die Austrittsöffnung 115 gekoppelt und läuft über den Koppler 108 zurück zum Koppler 102. Ein teilweise reflektierender Spiegel 126 ist vorgesehen, um einen Teil des aus dem Ausgang 121 austretenden Lichts als Referenzlicht in die Austrittsöffnung 121 zurückzureflektieren, von wo es über die Fasern 119 und 116 zum Koppler 102 weiterläuft, um dort mit dem Signalstrahl zu interferieren und ein Ausgabesignal zu erzeugen, welches durch einen Detektor 127 erfaßt wird, dessen Ausgabesignal über die Leitung 129 auf den Computer 128 gegeben wird. Die Abtastvorrichtung 130 ist sowohl mit der Faser 114 als auch mit der Linse 120 verbunden und kann aufgrund der über die Leitung 131 erfolgenden Befehlsvorgaben des Computers 128 Abtastbewegungen in der x-, y- und z-Richtung durchführen. Der piezoelektrische Zylinder 117 wird über die Leitung 132 durch den Computer 128 gesteuert und die Abschwächvorrichtung 118 wird über die Leitung 133 durch den Computer 128 gesteuert. Ein Teil des vom Spiegel 126 reflektierten Teils des Referenzstrahls wird durch den halbverspiegelten Spiegel 134 nochmals reflektiert und mittels der GRIN-Stablinse 136 in die Monomodefaser 135 gekoppelt. Das andere Ende der Faser 135 ist mit dem Port 137 des Kopplers 138 verbunden. Der Port 140 des Kopplers 138 ist über die Monomodefaser 141 mit dem Port 111 des Kopplers 108 verbunden. Das Port 139 des Kopplers 138 ist über die Faser 143 mit dem Detektor 142 verbunden. Der Detektor 142 erfaßt das Ergebnis der Interferenz zwischen dem Referenzstrahl und dem ausleuchtenden Strahl und sendet das resultierende Signal über die Leitung 144 an den Computer 128. Der Detektor 145 ist über die Faser 146 mit dem Port 110 des Kopplers 108 verbunden. Das Signal vom Detektor 145 wird über die Leitung 147 zum Computer 128 gesendet. Die Aufzeichnungsvorrichtung 149 ist über die Leitung 148 mit dem Computer 128 verbunden.
Im Betrieb wird ein Interferogramm der Oberfläche 123 des Objekts 124 wie folgt erstellt: Ein Teil des von der Laserdiode 101 ausgestrahlten Lichtstrahls wird über die Monomodefaser 103, den Koppler 102, die Monomodefaser 109, den Koppler 108 und die Monomodefaser 114 kohärent zur Austrittsöffnung 115 geführt und mittels einer Linse 122 hoher optischer Güte in einen beugungsbegrenzten Brennfleck 125 fokussiert, welcher ungefähr die Oberfläche 123 des Objekts 124 schneidet. Ein Teil des gestreuten Signallichts, welches durch die Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck 125 und der Oberfläche 123 entsteht und zum ausleuchtenden Strahl kohärent ist, wird mittels der Linse 122 gesammelt und in die Austrittsöffnung 115 zurückgekoppelt, und wird über die Fasern 114 und 109 sowie den Koppler 108 zum Koppler 102 kohärent zurückgeführt. Die numerische Apertur NA des in die Austrittsöffnung 115 eingekoppelten Signals, die Wellenlänge λ des Signallichts und der Durchmesser d des Kerns der Monomodefaser 114 sind durch die Beziehung für den konfokalen Lochblendendetektor miteinander verknüpft:
NA < oder 0,13 λ/d;
Ein zweiter Teil des Lichtstrahls der Diode 101 wird über die Monomodefaser 103, den Detektor 102, die Monomodefaser 116, den Abschwächer 118, die Monomodefaser 119 und die Linse 120 kohärent zur Austrittsöffnung 121 geführt, von wo es kollimiert austritt. Dieser kollimierte Strahl wird durch den Spiegel 126 durch die Austrittsöffnung 121 hindurch teilweise in die Linse 120 zurückreflektiert. Die Linse 120 sendet den Referenzstrahl in die Faser 119, wo er über die Monomodefaser 119, den Abschwächer 118, die Monomodefaser 116 und das Port 107 kohärent zum Koppler 102 geführt wird, wo er mit dem Signalstrahl interferiert. Das Ergebnis der Interferenz tritt aus dem Port 106 des Kopplers 102 aus und wird über die Faser 150 vom Detektor 127 erfaßt, dessen Signal über die Leitung 129 auf den Computer 128 geschickt wird. Ein Teil des Signallichts, welches in die Faseraustrittsöffnung 115 eingekoppelt wird, tritt vom Port 110 des Kopplers 108 aus, um durch die Faser 146 zum Detektor 145 geschickt zu werden, welcher den Intensitätspegel feststellt.
Dieser Intensitätspegel wird über die Leitung 147 auf den Computer 128 geschickt. Ein Teil des am Spiegel 134 reflektierten Referenzstrahls wird mittels der Linse 136 in die Monomodefaser 135 eingekoppelt, von wo er kohärent zum Port 137 des Kopplers 138 geführt wird. Dieser zuletzt genannte Lichtstrahl interferiert im Koppler 138 mit ausleuchtendem Licht, welches über die Monomodefaser 103, den Koppler 102, die Faser 109, den Koppler 108, die Monomodefaser 141 und das Port 140 von der Laserdiode 101 kohärent herangeführt wird. Das Ergebnis der Interferenz wird über die Faser 143 in den Detektor 142 gegeben und dort erfaßt. Das resultierende Signal des Detektors 142 wird über die Leitung 144 in den Computer 128 gegeben. Der Computer 128 bewegt mittels der Abtastvorrichtung 130 und der Leitung 131 die Austrittsöffnung 115 und die Austrittsöffnung 121 in axialer Richtung relativ zur Oberfläche 123. Um nun sicherzustellen, daß der Brennfleck 125 im wesentlichen die Oberfläche 123 schneidet, bewegt der Computer 128 die Austrittsöffnung 115 (sowie die Austrittsöffnung 121), bis der Detektor 145 ein maximales Signal erfaßt. Während die Abtastvorrichtung 130 die Austrittsöffnungen bewegt, überwacht der Computer 128 ihre Position durch Überwachen des aus dem Detektor 142 stammenden Interferenzsignals. Dann paßt der Computer 128 den Abschwächer 118 an, bis die Referenzstrahl- und die Signalstrahlintensität aufeinander abgestimmt sind. Der Computer 128 dehnt dann die Faser 116 mittels eines piezoelektrischen Zylinders 117, welcher über die Leitung 132 angesteuert wird, um die Komponenten des Interferenzsignals um 90º phasenverschoben zu halten und eine hohe Empfindlichkeit zu gewährleisten. Das Fehlersignal, welches benutzt wird, um das Interferometer mit dieser Phasenverschiebung von 90º zu betreiben, ist mit der Stellung der Faseraustrittsöffnung 115 gekoppelt, welche wird über das Signal vom Detektor 142 überwacht wird, um mit hoher Auflösung die Höhe der Oberfläche 123 bei dieser lateralen Stellung zu bestimmen. Diese Höhe wird in der Aufzeichnungsvorrichtung 149 abgespeichert. Die Abtastvorrichtung 130 bewegt dann die Austrittsöffnungen 115 und 121 lateral zur Oberfläche 123, wodurch der Brennfleck 125 lateral relativ zur Oberfläche 123 bewegt wird und die Höhe der neuen Oberflächenposition wie oben beschrieben ermittelt wird. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis ein Interferogramm der abgetasteten Oberfläche 123 des Objekts 124 aufgebaut und abgespeichert worden ist.
Fig. 2 zeigt ein Mikroskop 200 zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen und umfaßt eine kohärente Laserdiode 201, welche mit einem Koppler 202 für optischen Monomodefasern über eine Monomodefaser 203 verbunden ist. Der Koppler weist die Ports 204, 205, 206 und 207 auf. Das Port 205 des Kopplers 202 ist mit der Monomodefaser 208 verbunden, welche eine Austrittsöffnung 209 umfaßt. Die Linse 210 wirkt mit der Austrittsöffnung 209 zusammen, um zumindest einen Teil des an der Austrittsöffnung 209 austretenden Lichts zu sammeln und angenähert kohärent zu kollimieren. Ein Teil des im wesentlichen kollimierten Lichts wird durch die Linse 214 kohärent in einem Punkt 211 fokussiert, welcher ungefähr die Rückseite 212 des Objekts 212 bekannter Dicke 213 schneidet. Die Linse 214 ist bezüglich des Brennflecks 211 und der Linse 210 so angebracht, daß sie einen Teil des reflektierten Signallichtstrahls sammelt, welcher durch eine Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck 211 und der Oberfläche 212 entsteht, um diesen über die Austrittsöffnung 209 in die Faser 208 zurückzukoppeln. Der Signalstrahl wird über die Faser 208 und das Port 205 kohärent zum Koppler 202 geführt und läuft durchden Koppler 202 über das Port 204 und die Faser 240 zum Detektor 241. Das Signal vom Detektor 241 wird über die Leitung 242 zum Computer 238 gegeben. Ein anderer Teil des reflektierten Signalstrahls, welcher durch die Linse 214 gesammelt wird, wird durch den Strahlteiler 215 reflektiert und durch die Linse 217 in das Ende 218 der optischen Monomodefaser 216 zurückgekoppelt. Die Faser 216 ist mit dem Koppler 219 für optische Monomodefasern verbunden, welcher die Ports 220, 221, 222 und 223 aufweist. Ein Teil des ausleuchtenden Lichtstrahls, welcher durch die Linse 210 im wesentlichen kollimiert ist, wird durch den Strahlteiler 215 reflektiert und durch eine Linse 225, bei der es sich um eine Linse mit sehr kurzer Brennweite (z.B. 0,05 mm) handelt, über das Ende 226 in die Monomodefaser 224 zurückkoppelt. Dieser Referenzstrahl wird über das Port 227 des Kopplers 228 für Monomodefasern, das Port 229 des Kopplers 228, die Monomodefaser 232, den Abschwächer 233, die teilweise um den piezoelektrischen Zylinder 235 gewickelte optischen Monomodefaser 234 und das Port 220 des Kopplers 219 kohärent zum Koppler 219 geführt, wo es mit dem Signalstrahl interferiert. Das Interferenzsignal wird über die Faser 237 durch den Detektor 236 erfaßt. Das Signal vom Detektor 236 wird über die Leitung 239 auf den Computer 238 gegeben. Ein Teil des Referenzstrahls, welcher durch den Koppler 228 läuft, wird über das Port 230, die Monomodefaser 244 und das Port 245 zum Koppler 243 für optischen Monomodefasern geführt, wo er mit einem Teil des ausleuchtenden Lichts vom Laser 201 interferiert, welcher über die Faser 203, den Koppler 202, die Ports 207 und 206, die Monomodefaser 246 und das Port 247 zum Koppler 243 läuft. Das Ergebnis der Interferenz wird über das Port 249 und die Faser 248 durch den Detektor 250 erfaßt. Das Signal vom Detektor 250 wird über die Leitung 251 zum Computer 238 gegeben. Die Abtastvorrichtung 252 ist über Faser 208 mit der Austrittsöffnung 209 verbunden und kann gemäß von über die Leitung 253 übermittelten Befehlen des Computers 238 in x, y- und z- Richtung hin- und herbewegt werden. Die Abtastvorrichtung 252 ist mit dem Computer über die Leitung 252 verbunden.
Im Betrieb wird ein Profil des Brechungsindexes des Objekts 213 wie folgt aufgebaut: Ein Teil des ausleuchtenden Lichts der kohärenten Laserdiode 201 wird über die Faser 203, die Ports 207 und 205 des Koppler 202 und die Faser 208 kohärent zur Austrittsöffnung 209 geführt und wird in einem beugungsbegrenzten Brennfleck 211 fokussiert, welcher die Rückseite 212 des Objekts 213 ungefähr schneidet. Dies geschieht durch eine Linse 210, welche den Strahl ungefähr kollimiert, sowie eine Linse 214. Ein Teil des reflektierten Signallichts, welches durch das ungefähre Zusammenfallen des Brennflecks 211 und der Oberfläche 212 entsteht, und welches kohärent ist bezüglich des ausleuchtenden Strahls, wird durch die Linse 214 gesammelt und mittels der Linse 210 in den Kern der Austrittsöffnung 209 der Faser 208 fokussiert, wobei die numerische Apertur NA des in den Austrittsöffnung 209 eingekoppelten Signals, die Wellenlänge λ des Signallichts und der Durchmesser d des Kerns der Monomodefaser 208 an der Austrittsöffnung 209 durch die folgende Beziehung für den konfokalen Lochblendendetektor beschrieben werden:
NA < oder 0,6 λ/d.
In die Austrittsöffnung 209 der Faser 208 eingekoppeltes Signallicht wird über Ports 205 und 204 des Kopplers 202 sowie die Faser 240 auf den Detektor 241 gegeben, wo seine Intensität erfaßt wird. Das Signal vom Detektor 241 wird über die Leitung 242 auf den Computer 238 gegeben.
Ein anderer Teil des reflektierten Signallichts, welcher durch das ungefähre Zusammentreffen des Brennflecks 211 und der Oberfläche 212 entsteht, und welcher kohärent ist bezüglich des ausleuchtenden Strahls, wird durch die Linse 214 gesammelt und nach Reflexion am Strahlteiler 215 durch die Linse 217 am Ende 218 in den Kern der Faser 216 fokussiert, wobei die numerische Apertur NA des in das Ende 218 eingekoppelten Signals, die Wellenlänge λ des Signallichts und der Durchmesser d des Kerns der Monomodefaser 216 am Ausgang 218 durch die Beziehung für den konfokalen Lochblendendetektor verknüpft sind:
NA < oder 0,6 λ/d.
In die Faser 216 eingekoppeltes Signallicht wird über das Port 221 in den Koppler 219 gegeben. Ein Teil des ausleuchtenden Lichts, welcher durch die Linse 210 ungefähr kollimiert ist, wird durch die Linse 225 mit kurzer Brennweite am Ende 226 in den Kern der Faser 224 eingekoppelt. Ein Teil des ausleuchtenden Lichts wird kohärent über die Ports 227 und 229 des Kopplers 228, die Fasern 232 und 234, den Abschwächer 233 und das Port 220 zum Koppler 219 geführt, wo es mit dem Signalstrahl interferiert. Das Ergebnis dieser Interferenz wird durch den Detektor 236 über das Port 223 und die Leitung 237 erfaßt. Das Interferenzsignal vom Detektor 236 wird über die Leitung 239 zum Computer 238 gegeben.
Ein nochmals anderer Teil des ausleuchtenden Lichts, welches durch die Linse 210 ungefähr kollimiert ist, wird über den Strahlteiler 215, die sehr kurzbrennweitige Linse 225, das Faserende 226, die Faser 224, die Ports 227 und 230 des Kopplers 228, die Faser 244 und das Port 245 auf den Koppler 243 gegeben, wo es mit einem anderen Teil des ausleuchtenden Lichts interferiert, welches von der Laserdiode 201 über die Faser 203, die Ports 207 und 206 des Kopplers 202, die Faser 246 und das Port 247 in den Koppler 243 eingespeist wird. Das Ergebnis der Interferenz wird über das Port 249 und die Faser 248 zum Detektor 250 gegeben und dort erfaßt. Das Interferenzsignal vom Detektor 250 wird über die Leitung 251 auf den Computer 238 gegeben.
Die Abtastvorrichtung 252 bewegt die Faser 208 in der Nähe ihres Endes 209 in axialer Richtung relativ zur Oberfläche 211 hin und her. Dies geschieht mittels einer über die Leitung 253 erfolgende Steuerung durch den Computer 238 in solch einer Weise, daß sich der Brennfleck 211 durch die Oberfläche 212 hindurchbewegt. Die Position, wo der Brennfleck 211 im wesentlichen die Oberfläche 212 schneidet, kann dadurch bestimmt werden, daß das Maximum im Signal des Detektors 241 ermittelt wird. Der Computer 238 überwacht durch Erfassung des Interferenzsignals vom Detektor 250 über die Leitung 251 die Position des Endes 209 relativ zum nächstgelegenen Interferenzring und dadurch auch die Position des Brennflecks 211. Wenn der Brennfleck 211 im wesentlichen die Oberfläche 212 schneidet, wird der Abschwächer 232 über die Leitung 257 vom Computer 238 so eingestellt, daß der Signal- und Referenzstrahl gleiche Intensitäten aufweisen. Dann streckt der piezoelektrische Zylinder 235 die Faser 234 gemäß über die Leitung 256 übertragene Befehle des Computers 238 um in den vom Detektor 236 überwachten Komponenten des Interferenzsignals im Koppler 219 eine Phasenverschiebung von 90º aufrechtzuerhalten. Das auf den piezoelektrischen Zylinder 235 geschickte Fehlersignal ist ein genaues Maß für die Phase des Interferenzsignals im Koppler 219 und kann deshalb dazu benutzt werden, zusammen mit dem Interferenzsignal vom Detektor 250 exakt den scheinbaren Abstand zur hinteren Fläche 211 des Objekts 213 zu bestimmen. Auf ähnliche Weise kann der genaue Abstand zur Vorderfläche 258 des Objekts 213 bestimmt werden. Der Brechungsindex des Objekts 213 wird bei einer gegebenen lateralen Position durch Vergleichen der bekannten Dicke des Objekts 213 mit der scheinbaren Dicke bestimmt, wie sie sich durch die Berechnung aus den Messungen des Abstandes zur Vorder- und Rückseite ergibt. Falls die Oberfläche 258 oder 212 relativ zum Faserende 209 in lateraler Richtung verschoben wird, oder falls das Faserende 209 lateral verschoben wird, und somit der Brennfleck 211 lateral verschoben wird, kann das Verfahren wiederholt werden und der dabei über die abgetastete Fläche des Objekts 213 gemessene Brechungsindex in der Aufzeichnungsvorrichtung 254 abgespeichert werden.
Fig. 3 zeigt ein Mikroskop 300 zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen und zeigt eine kohärente Laserdiode 301, welche über die Monomodefaser 303 mit dem Koppler 302 für optische Monomodefasern verbunden ist. Der Koppler 302 hat Ports 304, 305, 306 und 307. Das Port 305 ist mit der Monomodefaser 308 und deren Ende 309 über die Monomodefaser 310 und die Ports 311 und 313 des die Ports 311, 313, 314 und 315 umfassenden Kopplers 312 verbunden. Das Port 307 ist mit der Monomodefaser 316 verbunden, welche teilweise um den piezoelektrischen Zylinder 317 gewickelt ist, welcher seinerseits mit dem Computer 318 über die Leitung 319 verbunden ist. Die Faser 316 ist mit dem Abschwächer 320 verbunden, welcher seinerseits über die Leitung 321 mit dem Computer 318 verbunden ist. Die optische Monomodefaser 322 ist mit der GRIN-Stablinse 322 verbunden, dessen Ende 324 die tatsächliche Austrittsöffnung der Faser 322 darstellt. Die Abtastvorrichtung 325 ist mechanisch mit der Linse 323 und dem Ende 309 der Faser 308 verbunden. Die Abtastvorrichtung 325 ist über die Leitung 326 mit dem Computer 318 verbunden. Ein teilweise reflektierendes Element 327 ist relativ zum Ende 324 so angebracht, daß ein Teil des ausleuchtenden Lichts in die Faser 322 zurückreflektiert wird. Die Linse 328 ist relativ zur Austrittsöffnung 309 so angebracht, daß dort austretendes ausleuchtendes Licht ungefähr kollimiert wird. Die Linse 329 ist so ausgelegt, daß sie im wesentlichen kollimiertes Licht aus der Linse 328 sammelt und in einen beugungsbegrenzten Brennfleck 330 fokussiert, der ungefähr eine Oberfläche 331 in einer Informationsspeichervorrichtung 332 schneidet, in welcher durch Höhen- oder Brechungsindexdifferenzen verschlüsselte Information abgespeichert ist. Die Linse 333 mit kurzer Brennweite ist so angebracht, daß sie durch die Linse 328 im wesentlichen kollimiertes und durch den Strahlteiler 324 reflektiertes Licht in den Kern des Endes 335 der optischen Monomodefaser 336 fokussiert. Die Faser 336 ist über das Port 338 mit dem Koppler 337 für Monomodefasern verbunden, welcher die Ports 338. 339, 340 und 341 umfaßt. Das Port 340 des Kopplers 337 ist über die optische Monomodefaser 342 mit dem Port 315 des Kopplers 312 verbunden. Der Detektor 343 ist über die Faser 344 und das Port 306 mit dem Koppler 302 sowie über die Leitung 345 mit dem Computer 318 verbunden. Der Detektor 346 ist über die Faser 347 und das Port 314 mit dem Koppler 312 sowie über die Leitung 348 mit dem Computer 318 verbunden. Der Detektor 349 ist mit dem Koppler 337 verbunden über das Port 339 und die Faser 355 sowie mit dem Computer 318 über die Leitung 351. Der Computer 318 ist über die Leitung 353 mit der Aufzeichnungsvorrichtung 352 verbunden. Die Abtastvorrichtung 354 ist mit den Vorrichtungen 332 sowie über die Leitung 355 mit dem Computer 318 verbunden.
Im Betrieb wird ein Teil des kohärenten ausleuchtenden Lichts von der Laserdiode 301 über die Faser 303, die Ports 304 und 305 des Kopplers 302, die Faser 310, die Ports 311 und 313 des Kopplers 312 sowie die Faser 308 kohärent zum Faserende 309 geführt. Ein Teil des kohärenten ausleuchtenden Lichts, welches an der Austrittsöffnung 309 austritt, wird durch die Linsen 328 und 329 kohärent in einem beugungsbegrenzten Brennfleck 330 fokussiert, welcher ungefähr die aufgezeichnete Oberfläche 331 der Vorrichtungen 332 schneidet. Ein Teil des Signallichts, welches durch die teilweise Reflexion des Brennflecks 330 an der Oberfläche 331 entsteht, und welcher zur ausleuchtenden Strahlung kohärent ist, wird durch die Linse 329 gesammelt und durch die Linse 328 in das Ende 309 des Kerns der Faser 308 fokussiert, von wo es kohärent über das Port 313 und den Koppler 302, über die Ports 313 und 311 des Kopplers 312, die Faser 310 sowie das Port 305 zum Koppler 312 geführt wird. Die numerische Apertur des in die Austrittsöffnung 309 eingekoppelten Signals, die Wellenlänge λ des Signallichts und der Durchmesser d des Kerns der Monomodefaser 308 an der Austrittsöffnung 309 erfüllen die folgende Beziehung für den konfokalen Lochblendendetektor:
NA < oder 0,13 λ/d.
Ein Teil des in das Port 313 des Kopplers 312 eintretenden Signallichts wird über die Faser 347 und das Port 314 auf den Detektor 346 gegeben und dort erfaßt. Dieses Detektorsignal wird über die Leitung 348 auf den Computer 318 gegeben. Ein anderer Teil des Lichts von der Diode 301 wird über die Faser 303, die Ports 304 und 307 des Kopplers 302, die Faser 316, den Abschwächer 320 und die Faser 322 kohärent zur Linse 323 geführt. Ausleuchtende Strahlung, welche auf die Linse 323 trifft, läuft von dieser kollimiert vom Ende 224 weg, um teilweise durch den Reflektor 327 reflektiert zu werden und durch die Austrittsöffnung 324 als Referenzlichtstrahl in die Linse 323 zurückzukehren. Dieser Referenzstrahl, welcher kohärent ist zu der die Linse 323 verlassenden ausleuchtenden Strahlung, wird über die Faser 322, den Abschwächer 320, die Faser 316 und das Port 307 kohärent zum Koppler 302 geführt, wo es mit dem Signallicht interferiert. Das durch die Interferenz entstehende Signal wird durch den Detektor 343 über das Port 306 und die Faser 344 erfaßt und das erfaßte Signal wird über die Leitung 345 auf den Computer 318 gegeben.
Ein Teil des ausleuchtenden Lichts der Diode 331 wird über die Faser 303, die Ports 304 und 305 des Kopplers 302, die Faser 310, die Ports 311 und 315 des Kopplers 312, die Faser 342 und das Port 340 kohärent auf den Koppler 337 geführt. Ein weiterer Teil des ausleuchtenden Lichts der Diode 301 wird über die Faser 303, die Ports 304 und 305 des Kopplers 302, die Faser 310, die Ports 311 und 313 des Kopplers 312, die Faser 308, das Ende 309, die Linse 328, den Strahlteiler 324, die Linse 333, das Ende 335, die Faser 336 und das Port 338 kohärent auf den Koppler 337 geführt, wo es mit dem restlichen in den Koppler 337 einfallenden ausleuchtenden Licht interferiert. Das aus dieser Interferenz resultierende Signal wird über das Port 339 und die Faser 350 durch den Detektor 349 erfaßt und das Detektorsignal wird über die Leitung 351 auf den Computer 318 gegeben.
Während der Computer 318 die Position des Faserendes 309 ermittelt durch Überwachen des Signals, welches vom Detektor 349 über die Leitung 351, das Faseraustrittsende 309 und das Ende 324 in den Computer 318 gespeist wird, wird durch die vom Computer 318 über die Leitung 326 gesteuerte Abtastvorrichtung 325 relativ zur Oberfläche 330 in axialer Richtung abgetastet. Der Brennfleck 330 wird dabei so positioniert, daß er die Oberfläche 331 durch axiales Hin- und Herbewegen mittels der Abtastvorrichtung 325 im wesentlichen schneidet, bis ein Maximum am Detektor 346 erfaßt und durch den Computer 318 registriert wird. Die Intensitäten des Signalstrahls sowie des Referenzstrahls beim Koppler 302 werden dannmittels Steuerung durch den Computer 318 und durch Variation der Abschwächung des Abschwächers 320 einander angepaßt. Das durch den Detektor 343 erfaßte Interferenzsignal wird dann so abgeglichen, daß eine Phasenverschiebung von 90º zwischen seinen Komponenten vorliegt. Dies geschieht durch Strecken der Faser 316 mittels des durch den Computer 318 über die Leitung 319 gesteuerten piezoelektrischen Kristalls 317. Das Fehlersignal wird durch den Computer 318 erfaßt und mit der ungefähren Position des Brennflecks 330 kombiniert, die durch die Position des Endes 309 über das Signal am Detektor 349 erfaßt wird, um eine genaue scheinbare Höhe für den Ort des Informationsspeicherungsvorgangs auf der Oberfläche 331 zu erhalten. Die Oberfläche 331 wird dann in lateraler Richtung durch die Abtastvorrichtung 354 relativ zum Lichtfleck 330 zu einem neuen Informationsspeicherplatz bewegt und die relative, genaue scheinbare Höhe, wie oben beschrieben, ermittelt. Durch Vergleich der scheinbaren Höhen der beiden lateral nebeneinanderliegenden Positionen kann der Computer 318 die Information an jeder der Stellen auf der Oberfläche 331 der Vorrichtung 232 dekodieren und zur unmittelbaren Verwendung in der Aufzeichnungsvorrichtung 352 abspeichern. Andere Oberflächen können durch ausreichendes axiales Verschieben des Faserendes 309 dem Mikroskop 300 zugänglich gemacht werden, so daß eine andere Oberfläche, wie z. B. die Oberfläche 356, vom Brennfleck 330 geschnitten wird.
Fig. 4a zeigt ein Mikroskop 400 zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen von vom Argon-Ion-Laser 401 ausgestrahltem kohärenten Licht, welches mittels einer Linse 403 in eine optische Monomodefaser 402 eingekoppelt wird. Die Faser 402 ist mit dem Port 405 eines Kopplers 404 für optischen Monomodefasern verbunden, welcher die Ports 405, 406, 407 und 408 umfaßt. Der Koppler 404 ist über eine optische Monomodefaser 411 sowie ein Port 408 mit einer GRIN-Stablinse 409 verbunden, welche ein Ende 410 aufweist, die effektiv die Austrittsöffnung der Faser 411 darstellt. Die Linse 409 fokussiert vom Laser 401 stammendes Licht in einem beugungsbegrenzten Lichtfleck 412, welcher ungefähr die Oberfläche 413 des Objekts 414 schneidet. Das Port 407 des Kopplers 404 ist über die Faser 416 mit dem Detektor 415 verbunden. Das Signal vom Detektor 415 wird über die Leitung 418 in den Computer 417 eingespeist. Der Computer 417 ist über die Leitung 420 mit dem Plotter 419 verbunden. Das Port 406 ist mit dem Abschwächer 421 über eine optische Monomodefaser 422 verbunden, die teilweise um den piezoelektrischen Zylinder 423 gewickelt ist, welcher vom Computer 417 über die Leitung 424 gesteuert wird. Die optische Monomodefaser 425, welche an ihrem Ende 426 mit einer reflektiven Beschichtung abgeschlossen ist, ist mit dem Abschwächer 421 verbunden. Der Abschwächer 421 wird vom Computer 417 über die Leitung 427 gesteuert. Die Abtastvorrichtung 428 ist mit der Linse 409 verbunden und wird über die Leitung 429 vom Computer 417 gesteuert.
In einer alternativen Anordnung der im Rahmen 430 in Fig. 4 gezeigten Elemente ist bei der GRIN-Stablinse 409 der Ausgang 410 durch den Ausgang 431 der Faser 411 ersetzt und die Linse 433 bezüglich des Ausgangs 431 so angebracht, daß ausleuchtendes Licht in einen beugungsbegrenzten Lichtfleck 436 fokussiert wird, welcher ungefähr die Oberfläche 435 des Objekts 434 schneidet. Weiterhin ist, wie in Fig. 4A zu sehen, die Abtastvorrichtung 428 ist durch eine Abtastvorrichtung 432 ersetzt, welche mit dem Computer 417 über eine Leitung 429 verbunden ist.
In einer ersten Betriebsart wird ein Teil der vom Laser 401 stammenden kohärenten ausleuchtenden Lichtstrahlung kohärent über die Linse 403, die Faser 402, die Ports 405 und 408 des Kopplers 404 und die Faser 411 bis zur Linse 409 geführt, welche das Licht über ihr Ende 410 in einen beugungsbegrenzten Lichtfleck 412 fokussiert, welcher die Oberfläche 413 des Objekts 414 schneidet. Der Signalstrahl des Lichts, welcher durch Reflexion und Streuung des Lichts des Brennflecks 412 und der Oberfläche 413 entsteht, und kohärent ist bezüglich des ausleuchtenden Lichtstrahls, wird über das Ende 410 durch die Linse 409 gesammelt. Ein anderer Teil des ausleuchtenden Lichtsstrahls, welcher zur Linse 409 über die Faser 402, die Ports 405 und 408 des Kopplers 404 sowie die Faser 411 geführt wird, wird durch das Ende 410 reflektiert um einen Referenzlichtstrahl zu ergeben, welcher mit dem Signalstrahl interferiert. Das durch die Interferenz entstehende Signal zwischen den beiden Strahlen läuft zurück zum Detektor 415 über die Linse 409, die Faser 411, die Ports 408 und 407 des Kopplers 404 und die Faser 416, wo es erfaßt wird. Das Signal vom Detektor 415 wird über die Leitung 418 auf den Computer 417 gegeben. Bei dieser Betriebsart schwächt der Abschwächer 421 deutlich das gesamte durch die Faser 422 laufende ausleuchtende Licht gemäß vom Computer 417 über die Leitung 427 übermittelten Befehlen ab. Die Abtastvorrichtung 428 bewegt die Linse 409 in axialer Richtung relativ zur Oberfläche 413, bis der Brennfleck 412 im wesentlichen die Oberfläche 413 schneidet. Der Computer 417 registriert dann über die Leitung 408 das vom Detektor 415 erfaßte Interferenzsignal. Die Abtastvorrichtung 428 bewegt dann die Linse 409 in lateraler Richtung relativ zur Oberfläche 413 und das neue Interferenzsignal wird, wie oben beschrieben, erfaßt und abgespeichert. Auf diese Weise kann das Oberflächenprofil des Objekts 414 erstellt und über die Leitung 420 durch den Plotter 419 ausgeplottet werden.
In einer zweiten Betriebsart wird ein erster Teil der kohärenten ausleuchtenden Strahlung vom Laser 401 über die Linse 403, die Faser 402, die Ports 405 und 408 des Kopplers 404 und die Faser 411 kohärent zur Austrittsöffnung 431 geführt, wo es von der Linse 433 gesammelt und in einem beugungsbegrenzten Lichtfleck 436 fokussiert wird, welcher die Oberfläche 435 des Objekts 434 schneidet. Der Signalstrahl des Lichts, welcher durch Reflexion und Streuung des Lichts im Brennfleck 436 an der Oberfläche 435 entsteht, und der bezüglich des ausleuchtenden Lichtstrahls kohärent ist, wird durch die Linse 433 gesammelt und über das Ende 431 kohärent in die Faser 411 eingekoppelt. Ein anderer Teil des ausleuchtenden Lichts wird über die Faser 402, die Ports 405 und 408 des Kopplers 404 und die Faser 411 geführt und durch den Ausgang 431 reflektiert, um einen Referenzlichtstrahl zu ergeben, welcher mit dem Signalstrahl interferiert. Das durch die Interferenz zwischen den beiden Strahlen resultierende Signal wird durch den Detektor 415 über die Leitung 411, die Ports 408 und 407 des Kopplers 404 und die Faser 416 erfaßt. Das vom Detektor 415 erfaßte Signal wird über die Leitung 418 auf den Computer 417 gegeben. In dieser Betriebsart schwächt der Abschwächer 412 im wesentlichen das gesamte über die Faser 422 laufende ausleuchtende Licht gemäß vom Computer 417 über die Leitung 427 übermittelten Befehlen. Die Abtastrichtung 432 bewegt die Faser 411 in der Nähe ihres Ausgangs 431 in axialer Richtung relativ zur Oberfläche 435, bis der Lichtfleck 436 im wesentlichen die Oberfläche 435 schneidet. Der Computer 417 registriert dann über die Leitung 418 das vom Detektor 415 erfaßte Interferenzsignal. Die Abtastvorrichtung 432 bewegt dann die Faser 411 im Bereich ihres Ausgangs 431 und somit den Lichtfleck 436 in lateraler Richtung relativ zur Oberfläche 435, und das neue Interferenzsignal wird empfangen und in der oben beschriebenen Weise abgespeichert. Auf diese Weise wird das Oberflächenprofil des Objekts 434 aufgebaut und durch den Plotter 419 über die Leitung 420 ausgeplottet.
In einer weiteren Betriebsart, reflektiert das Ende 410 (oder die Austrittsöffnung 431) kein ausleuchtendes Licht. In diesem Falle wird der Abschwächer 421 über die Leitung 427 durch den Computer 417 so abgeglichen, daß ausleuchtendes Licht vom Laser 401 über die Linse 403, die Faser 402, die Ports 405 und 406 des Kopplers 404, Faser 422, den Abschwächer 421 und die Faser 425 kohärent zur Austrittsöffnung 426 geführt und dann durch die Austrittsöffnung 436 reflektiert wird, um als Referenzstrahl zu dienen, welcher über die Faser 425, den Abschwächer 421, die Faser 422 und das Port 406 kohärent zum Koppler 404 zurückgeführt wird, um mit dem Signalstrahl vom Ende 410 (oder 431) zu interferieren, welcher in den Koppler 404 über das Ende 410 und die Linse 409 (oder die Austrittsöffnung 431), die Faser 411 und das Port 408 eintritt. Das Interferenzsignal vom Koppler wird über die Faser 416 vom Detektor 415 erfaßt. Das Detektorsignal wird über die Leitung 418 zum Computer 417 geführt. In dieser Betriebsart gilt jedoch, daß wenn der Lichtfleck 412 (oder 436) die Oberfläche 413 (oder 435) schneidet, der Abschwächer 421 so angepaßt wird, daß die Intensitäten des Signalstrahls und des Referenzstrahls gleich groß sind, und der piezoelektrische Zylinder 423 die Faser 422 gemäß vom Computer 417 über die Leitung 424 empfangenen Befehlen dehnt, so daß das Interferometer in einer hoch empfindlichen Betriebsart gehalten wird, in welchem die einzelnen Interferenzkomponenten um 90º zueinander phasenverschoben sind. Die Abtastvorrichtung 428 (oder 432) bewegt dann die Linse 409 (oder die Faser 411 in der Nähe ihrer Austrittsöffnung 431) und der Brennfleck 412 (oder 436), wird relativ zur Oberfläche 413 (oder 435) seitlich verschoben, und ein neues Interferenzsignal wird in der oben beschriebenen Weise erhalten und abgespeichert. Auf diese Weise kann das Oberflächenprofil des Objekts 414 (oder 434) aufgebaut und durch den Plotter 419 über die Leitung 420 ausgeplottet worden.
Fig. 5 zeigt ein Mikroskop 500 zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen, bei dem teilweise kohärentes Licht einer superlumineszierenden Diode 501 in die Monomodefaser 502 gekoppelt wird. Die Faser 502 ist mit dem Koppler 503 für Monomodefasern über das Port 504 verbunden. Der Koppler 503 hat Ports 505, 506 und 507. Das Port 507 ist mit der Monomodefaser 534 verbunden, welche ein Austrittsende 508 aufweist, aus welchem das Licht von der Diode 501 austritt. Die Austrittsöffnung 508 ist mittels des Verbindungsaufsatzes 510 mit der ringförmigen Linse 509 verbunden. Der Verbindungsaufsatz 510 kann durch die Abtastvorrichtung 511 in jeder beliebigen Richtung bewegt werden. Der ringförmigen Spiegel 512 und die Linse 513 sind relativ zur Oberfläche 535 des Objekts 514 fixiert. Das Port 505 ist mit einer Antireflexionsbeschichtung abgeschlossen. Das Port 506 ist mit der GRIN-Stablinse 515 mittels der Monomodefaser 516 verbunden. Die Linse 515 ist relativ zum Hybridstrahlteiler 517, dem Spiegel 518, dem Helium-Neon-Laser 519, der Pin-Diode 520, der Linse 531 und der Lawinen- Fotodiode 521 fixiert. Der Spiegel 522 kann mittels der Abtastvorrichtung 523 relativ zum Strahlteiler 517 hin- und herbewegt werden. Die Dioden 520 und 521 und die Abtastvorrichtungen 511 und 523 sind über die Leitungen 525, 526, 527 bzw. 528 mit dem Computer 524 verbunden. Der Computer 524 ist über die Leitung 530 mit der fotographischen Aufzeichnungsvorrichtung 529 verbunden.
Während des Betriebs wird ein "Weißlicht"-Interferogramm der Oberfläche 535 des Objekts 514 in der folgenden Beweise aufgebaut: Ein Teil des Lichts mit kurzer Kohärenzlänge von der Diode 501 wird über die Faser 502, das Port 504, den Koppler 503, das Port 507 und die Faser 534 kohärent auf den Ausgang 508 geführt und durch die Linse hoher Güte 513 in einen beugungsbegrenzten Lichtfleck 532 fokussiert, welcher die Oberfläche 535 im wesentlichen schneidet. Ein Teil des Signallichts, welches aus der Wechselwirkung zwischen dem Lichtfleck 532 und der Oberfläche 535 entsteht, und in Phase mit dem die auf Oberfläche des Objekts 514 auftreffenden ausleuchtenden Licht ist, wird durch die Linse 513 gesammelt, in die Austrittsöffnung 508 zugekoppelt und über die Faser 534, das Port 507, den Koppler 503, das Port 506 und die Faser 516 kohärent zur Linse 515 geführt. Die Linse 515 kollimiert das Signallicht und richtet es auf den Weißlicht-Interferometer-Analysator 533, welcher einen Strahlteiler 517, einen stationären Spiegel 518 und einen verschiebbaren Spiegel 517 umfaßt. Ein zweiter Teil des Lichts von der Diode 501, der Referenzstrahl, wird über die Faser 502, das Port 504, den Koppler 503, das Port 507 und die Faser 534 kohärent auf die Austrittsöffnung 508 geführt und durch die ringförmige Linse 509 kollimiert, um mittels des Spiegels 512 und der Linse 509 in die Austrittsöffnung 508 zurückreflektiert und fokussiert zu werden. (Man beachte, daß bei dieser Konfiguration, falls die Weglängendifferenz zwischen dem Signalstrahl und dem Referenzstrahl sich innerhalb der Kohärenzlänge der Diode 501 befindet, welche typischerweise einige -zig um beträgt, der Signalstrahl und Referenzstrahl kein sichtbares Interferenzmuster ergeben, wenn ihre Wellenlängen nicht im Weißlicht-Interferometer-Analysator 533 relativ eng aufeinander abgestimmt werden). Das in die Austrittsöffnung 508 eintretende Referenzlicht wird über die Faser 534, das Port 507, den Koppler 503, das Port 506 und die Faser 516 kohärent zur Linse 515 geführt. Die Linse 515 kollimiert das Referenzlicht und schickt es durch den Analysator 533, wo es mit dem Signallicht interferieren kann, um ein temporäres Interferenzmuster mit reduzierter Sichtbarkeit zu erzeugen, abhängig von der Position des Spiegels 522. Das Ergebnis der Interferenz zwischen dem Signal und Referenzstrahl wird durch die Linse 531 auf die Diode 521 fokussiert. Das Signal von der Diode 521 wird durch den Computer 524 überwacht. Lichtstrahlung hoher Kohärenzlänge vom Helium-Neon-Laser 519 läuft zum Strahlteiler 517, welcher es in zwei Strahlen aufspaltet, von denen einer vom Spiegel 518 reflektiert wird, um die Diode 520 zu treffen, und der andere vom Spiegel 522 reflektiert und durch den Strahlteiler 517 ebenfalls auf die Diode 520 gerichtet wird. Das sich ergebende Interferenzsignal aus der Diode 520 wird durch den Computer 524 überwacht.
Um sicherzustellen, daß der Lichtfleck 532 im wesentlichen die Oberfläche des Objekts 514 schneidet, bewegt der Computer 524 den Aufbau 510 und somit die Austrittsöffnung 508 und die ringförmige Linse 509 in axialer Richtung, so daß der Lichtfleck 532 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durch die Oberfläche 535 des Objekts 514 hindurch wandert, bis ein maximales Signal an der Diode 521 erhalten wird. Um den genauestmöglichen Schnittpunkt zwischen dem Lichtfleck 532 und dem Spiegel 535 zu erhalten, wird der Spiegel 522 typischerweise in einer Richtung bis zum Anschlag bewegt, wodurch die Weißlicht- Interferenzringe im Analysator 533 bei einer niedrigen Sichtbarkeit gehalten werden. Der Spiegel 522 im Analysator 523 wird dann durch die Abtastvorrichtung 523 gemäß Befehlen des Computers 524 bewegt, während der Computer 524 die Position des Spiegels 522 durch Analysieren des Signals von der Diode 520 überwacht. Gleichzeitig überwacht der Computer das Signal von der Diode 521, aus welchem der vertikale Abstand zwischen der Oberfläche des Spiegels 512 und der Oberfläche 535 des Objekts bei dieser lateralen Position bestimmt wird. Der vertikale Abstand zwischen der Oberfläche des Spiegels 512 und der Oberfläche 535 wird durch die Aufzeichnungsvorrichtung 529 intensitätskodiert, welche vom Computer 524 gesteuert wird. Die Abtastvorrichtung 511 bewegt dann den Rahmen 510, die Linse 509 und die Austrittsöffnung 508 relativ zur Oberfläche des Objekts 514 in lateraler Richtung, wobei der Lichtfleck 532 parallel zur Oberfläche des Objekts 514 bewegt und die Höhe der neuen Oberflächenposition wie oben beschrieben ermittelt wird. Dieses Verfahren wird solange wiederholt, bis ein Weißlicht-Interferogramm der Oberfläche des Objekts 514 aufgenommen worden ist.
Fig. 6a zeigt ein Mikroskop 600 zur Messen der Differenz zwischen Energiestrahlungsweglängen und zeigt eine kohärente Laserdiode 601, welche über die Monomodefaser 603 mit einem optischen Koppler 602 für Monomodefasern verbunden ist. Der Koppler 602 hat Ports 604, 605, 606 und 607. Das Port 605 ist über die Monomodefaser 609 mit dem Koppler 608 für Monomodefasern verbunden. Der Koppler 608 hat Ports 610, 611, 612 und 613. Das Port 613 des Kopplers 608 ist mit der Monomodefaser 614 verbunden, welche eine Austrittsöffnung 615 aufweist. Das Port 607 des Kopplers 602 ist mit einer Monomodefaser 616 verbunden. Die Monomodefaser 616 ist teilweise um den piezoelektrischen Zylinder 617 gewickelt und mit dem Abschwächer 618 verbunden. Die Monomodefaser 619 ist mit dem Abschwächer 618 verbunden und hat einen Ausgang 620. Ausleuchtende Lichtstrahlen, welche aus den Ausgängen 620 und 615 austreten, sind zueinander kohärent. Die Linse 620 wirkt mit den Ausgängen 615 und 620 zusammen, um zumindest ein Teil des aus den Ausgängen 615 und 620 austretenden Lichts kohärent in den ersten und zweiten Brennpunkt 625 und 626 zu fokussieren, welche ungefähr die Oberfläche 623 des Objekts 624 schneiden. Die Linse 622 ist so angebracht, daß sie im Betrieb zumindest einen Teil des gestreuten Signallichts sammeln kann, welches durch die Wechselwirkung zwischen den Brennflecken 625 und 626 und der Oberfläche 623 entsteht, wobei der Signalstrahl bezüglich des ausleuchtenden Strahls kohärent ist. Aufgrund der Umkehrbarkeit des Strahlengangs wird ein Teil des ersten und zweiten Signalstrahls durch die Linse 622 aus den Lichtflecken 625 und 626 gesammelt und in die Austrittsöffnungen 615 bzw. 620 eingekoppelt, um über den Koppler 608 und die Fasern 619 bzw. 616 zum Koppler 602 zu laufen, wobei der erste und zweite Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein Interferenzsignal entsteht, welches über die optische Monomodefaser 650 auf den Detektor 627 gegeben wird, wobei ein Ausgabesignal erzeugt wird, welches über die Leitung 629 in den Computer 628 geführt wird. Die Abtastvorrichtung 630 ist mit den beiden Fasern 614 und 619 verbunden und tastet die x-, y- und z-Richtung aufgrund von vom Computer 628 über die Leitung 631 übertragenen Befehlen ab. Der piezoelektrische Zylinder 617 wird über die Leitung 632 durch den Computer 628 gesteuert und der Abschwächer 618 wird über die Leitung 633 durch den Computer 628 gesteuert. Der Detektor 645 ist über die Faser 646 mit dem Port 610 des Kopplers 608 verbunden. Das Signal vom Detektor 645 wird über die Leitung 647 auf den Computer 628 gegeben. Die Aufzeichnungsvorrichtung 649 ist über die Leitung 648 mit dem Computer 628 verbunden.
Beim Betrieb wird ein Interferogramm der Oberfläche 623 des Objekts 624 wie folgt beschrieben aufgebaut: Ein erster Teil des Lichtstrahls der kohärenten Laserdiode 601 wird über die Monomodefaser 603, den Koppler 602, die Monomodefaser 609, den Koppler 608 und die Monomodefaser 614 kohärent zum Ausgang 615 geführt und durch die Linse hoher optischer Güte 622 in einem ersten beugungsbegrenzten Lichtfleck 625 fokussiert, welcher die Oberfläche 623 des Objekts 624 schneidet. Ein zweiter Teil des von der kohärenten Laserdiode 601 ausgehenden Lichtstrahls wird über die Monomodefaser 603, den Koppler 602, die Monomodefaser 616, den Abschwächer 618 und die Monomodefaser 619 kohärent auf den Ausgang 602 geführt und durch eine Linse hoher optische Güte 622 in einem zweiten beugungsbegrenzten Lichtfleck 626 fokussiert, welcher die Oberfläche 623 des Objekts 624 schneidet. Ein Teil des gestreuten und reflektierten Signallichts, welches durch die Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck 625 und der Oberfläche 623 entsteht, und kohärent ist bezüglich des ausleuchtenden Strahls, wird durch die Linse 622 gesammelt, in den Ausgang 625 zurückgekoppelt und über die Fasern 614 und 609 sowie den Koppler 608 kohärent zum Koppler 602 zurückgeführt. Die numerische Apertur NA des in den Ausgang 615 eingekoppelten Signals, die Wellenlänge des ersten Signalsstrahls λ und der Durchmesser d des Kerns der Monomodefaser 614 sind durch die Beziehung für den konfokalen Lochblendendetektor miteinander verbunden:
NA < oder 0,13 λ/d
Ein Teil des gestreuten Lichts, welches durch die Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck 626 und der Oberfläche 623 entsteht und bezüglich des ausleuchtenden Strahls kohärent ist, wird durch die Linse 622 gesammelt und in den Ausgang 620 zurückgekoppelt und über die Faser 619 und 616 sowie den Abschwächer 618 kohärent zum Koppler 602 geführt, wo es mit dem ersten Signalstrahl interferiert. Die numerische Apertur NA des in die Austrittsöffnung 620 eingekoppelten Signals, die Wellenlänge λ des zweiten Signalsstrahls und der Durchmesser d des Kerns der Monomodefaser 619 sind durch die Beziehung für den konfokalen Lochblendendetektor miteinander verbunden:
NA < oder 0,13 λ/d
Das Ergebnis der Interferenz tritt aus dem Port 606 des Kopplers 602 aus, um über die Faser 615 durch den Detektor 627 erfaßt zu werden, wobei dessen Signal über die Leitung 629 auf den Computer 628 gegeben wird. Ein Teil des in das Faserende 615 eingekoppelten Signallichts tritt aus dem Port 610 des Kopplers 608 aus um durch die Faser 646 zum Detektor 645 geführt zu werden, welcher den Intensitätspegel erfaßt. Dieser Intensitätspegel wird über die Leitung 647 auf den Computer 628 gegeben. Der Computer 628 bewegt mittels der Abtastvorrichtung 630 und der Leitung 631 die Enden 615 und 620 in axialer Richtung relativ zur der Oberfläche. Um nun sicherzustellen, daß der Lichtfleck 625 im wesentlichen die Oberfläche 623 schneidet, bewegt der Computer 628 die Austrittsöffnung 615 (und die Austrittsöffnung 620) solange, bis der Detektor 645 ein maximales Signal erfaßt. Dann gleicht der Computer 628 den Abschwächer 618 solange ab, bis die Intensitäten der beiden Signalstrahlen zueinander passen. Der Computer 628 dehnt dann die Faser 618 mittels des über die Leitung 632 gesteuerten piezoelektrischen Zylinders 617, um eine Phasenverschiebung von 90º in den Komponenten des Interferenzsignals aufrecht zu erhalten, um eine hohe Empfindlichkeit zu gewährleisten. Das Fehlersignal, welches dazu benutzt wird, das Interferometer mit einer Phasenverschiebung von 90º in seinen beiden Komponenten zu betreiben, wird dazu benutzt, mit hoher Genauigkeit die Höhendifferenz der Oberfläche 623 zwischen den Lichtflecken 625 und 626 bei dieser lateralen Position zu bestimmen. Die Höhendifferenz wird mittels der Aufzeichnungsvorrichtung 649 abgespeichert. Die Abtastvorrichtung 630 bewegt die Austrittsöffnungen 615 und 620 relativ zur Oberfläche 623 in lateraler Richtung wobei die Lichtflecken 625 und 626 in lateraler Richtung relativ zur Oberfläche 623 bewegt werden und die Höhendifferenz der neuen Oberflächenposition wie oben beschrieben ermittelt wird. Dieses Verfahren wird solange angewandt, bis ein Differenz-Interferogramm der abgetasteten Oberfläche 623 des Objekts 624 erstellt und abgespeichert worden ist.
Die erfindungsgemäßen Verfahren und Mikroskope dienen der Messung der Position eines Objekts oder der Messung des Oberflächenprofils eines Objekts mit hoher Auflösung. Die erfindungsgemäßen Verfahren und Mikroskope sind nicht beschränkt auf Verfahren, welche die Erzeugung von Bildern der Objekte beinhalten. Ein erfindungsgemäßes Mikroskop kann Teil eines anderen Geräts sein, wie z. B. eines Dickenmessungsgeräts, welches eine Alarmvorrichtung beinhaltet. Ein erfindungsgemäßes Interferenzmikroskop kann auch in einer Umgebung eingesetzt werden, wo Vibrationen ein Problem darstellen, da es in einfacher Weise ausgerichtet werden kann, und weniger Teile exakt zueinander ausgerichtet zu halten sind als es im Vergleich dazu bei herkömmlichen Interferenzmikroskopen der Fall ist. Zusätzlich können die Energiequelle und die Detektoren in einem gewissen Abstand von dem Ort angebracht werden, an welchem die Messung stattfinden soll, was es ermöglicht, daß sie in eine mechanische und elektrisch ruhige Umgebung gebracht werden können, so daß die Notwendigkeit für komplizierte elektrische oder mechanische Isolierungen nicht auftritt. Da weiterhin weniger Teile benötigt werden als in einem herkömmlichen Interferenzmikroskop, ist das erfindungsgemäße Interferenzmikroskop leichter und billiger herzustellen und zu warten. In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferenzmikroskops kann keine Fehlausrichtung des optischen Systems des Energiequellendetektors eintreten, da bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung dasselbe Faserende für die Lochblendenquelle und den Lochblendendetektor benutzt wird. Aus diesem Grunde ist eine kontinuierliche Überwachung der Ausrichtung des Mikroskops nicht notwendig. Da der Aufbau eines erfindungsgemäßen Interferenzmikroskops auch dafür benutzt werden kann, ein Objekt in allen drei Dimensionen schnell abzutasten und dadurch Bilder oder Messungen an den Objekten mit extrem hoher Auflösung durchzuführen, ergibt sich ein weiterer Vorteil.
Im Vergleich zu herkömmlichen Interferenzmikroskopen und insbesondere zu konfokalen Interferenzmikroskopen ist der erfindungsgemäße Aufbau inhärent wesentlich stabiler, da die Strahlengänge typischerweise in Energieführungsvorrichtungen verlaufen, wo Störungen, die z. B. auf Luftströmungen beruhen, kein Problem darstellen.
Zusammen mit den oben genannten Vorzügen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzt werden für hochauflösende Entfernungsmessungen, insbesondere an kleinen Objekten, hochauflösende Oberflächenprofil- und Oberflächenrauhigkeitsbestimmungen mit hoher lateraler Auflösung, wie z. B. bei der Inspektion von Mikrochips, der genauen Vermessung der Dicke oder des Brechungsindexprofils von teilweise transparenten Objekten inklusive Einschicht- oder Mehrschicht-Platten für Stapelzwecke oder andere Zwecke, Formen von Glas- oder Kunststoffcontainern und deren Wanddicken oder die Dimensionen von biologischen Zellen, dem Abrufen (und Speichern) von Information, welche in einem dreidimensionalen Medium mit hoher Speicherdichte abgespeichert sind, oder Anwendungen in der nichtlinearen Spektroskopie, inklusive Fluoreszenz- und Raman-Spektroskopie, in welchem das zu untersuchende Objekt klein ist und/oder z. B. genau im Raum lokalisiert werden muß.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen, welches umfaßt:

kohärentes Ausrichten eines Teils eines ausleuchtenden Energiestrahls aus einer kohärenten Energiequelle (101, 201, 301, 401, 401, 501, 601) durch eine erste kohärente Energieführungsvorrichtung (114, 208, 308, 411, 411, 534, 614) auf eine Energieaustrittsöffnung, welche als erste Austrittsöffnung (115, 209, 309, 410, 410, 508, 615) bezeichnet wird;

kohärentes Ausrichten eines zweiten Teils des ausleuchtenden Energiestrahls durch eine zweite kohärente Energieführungsvorrichtung (119, 208, 322, 411, 422, 534, 619) auf eine Energieaustrittsöffnung, welche als zweite Austrittsöffnung (121, 209, 324, 410, 426, 508, 620) bezeichnet wird;

wobei der erste und zweite Teil des ausleuchtenden Energiestrahls an dieser ersten bzw. zweiten Austrittsöffnung zumindest teilweise kohärent zueinander sind;

kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil ausleuchtender Energiestrahlung, welche aus dieser ersten Austrittsöffnung austritt, in einen ein Objekt (124, 213, 332, 414, 414, 514, 624) schneidenden Brennfleck (125, 211, 330, 412, 412, 532, 626);

räumliches konfokales Ausfiltern und kohärentes Ausrichten auf ein Interferometer (101, 219, 302, 404, 404, 533, 602) von zumindest einem Teils eines kohärenten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem diesen Brennfleck ausleuchtenden Energiestrahl und dem Objekt entsteht, wobei der Signalstrahl kohärent ist zum ausleuchtenden Energiestrahl;

kohärentes Ausrichten zumindest eines Teils des zweiten Teils des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher als Referenzstrahl bezeichnet wird, von der zweiten Austrittsöffnung zum Interferometer, wobei der Referenzstrahl und der Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch sich ein Ausgabesignal ergibt; und

Berechnen aus diesem Ausgabesignal einer Energiestrahlungsweglängendifferenz, welche auftritt zwischen einem ersten Energiestrahlungsweg, der von der Energiequelle über die erste Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt zwischen dem Brennfleck und dem Objekt sowie vom Schnittpunkt zum Interferometer führt, sowie einen zweiten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch eine zweite Energieführungsvorrichtung zum Interferometer führt.

2. Verfahren zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen, wobei dieses Verfahren umfaßt:

kohärentes Ausrichten eines Teils eines ausleuchtenden Energiestrahls von einer kohärenten Energiequelle (601) durch eine erste kohärente Energieführungsvorrichtung (614) auf eine als erste Austrittsöffnung (615) bezeichnete Energieaustrittsöffnung;

kohärentes Ausrichten eines zweiten Teils des ausleuchtenden Energiestrahls durch eine zweite kohärente Energieführungsvorrichtung (619) auf eine als zweite Austrittsöffnung (620) bezeichnete Energieaustrittsöffnung, wobei der erste und zweite Teil des ausleuchtenden Energiestrahls bei der ersten bzw. zweiten Austrittsöffnung zumindest teilweise kohärent zueinander sind;

kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil ausleuchtender Energiestrahlung, welche aus der ersten Austrittsöffnung austritt, in einen ersten Brennfleck (626), welcher ein Objekt (624) schneidet.;

räumliches konfokales Filtern und kohärentes Ausrichten auf ein Interferometer (602) von zumindest einem Teil eines ersten kohärenten Signalenergiestrahls, welcher an diesem ersten Brennfleck durch Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl und dem Objekt entsteht, wobei der erste Signalstrahl zum ausleuchtenden Energiestrahl kohärent ist;

kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil ausleuchtender Energiestrahlung, welche aus der zweiten Austrittsöffnung austritt, in einen zweiten Brennfleck, welcher das Objekt schneidet;

kohärentes Ausrichten auf das Interferometer von zumindest einem Teil eines zweiten kohärenten Signalenergiestrahls, welcher am zweiten Brennfleck durch die Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl und dem Objekt entsteht, wobei der zweite Signalstrahl zum ausleuchtenden Energiestrahl kohärent ist und wobei der erste und zweite Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein Ausgabesignal erzeugt wird;

Berechnen der Energiestrahlungsweglängendifferenz aus diesem Ausgabesignal, wobei diese Energiestrahlungsweglängendifferenz auftritt zwischen einem ersten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch die erste Energiefuhrungsvorrichtung zum Schnittpunkt des ersten Brennflecks mit dem Objekt und von dort zum Interferometer führt, und einem zweiten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des zweiten Brennflecks mit dem Objekt und von dort weiter zum Interferometer führt.

3. Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindexes eines Objekts zwischen zwei Stellen an diesem Objekt, welches umfaßt:

Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2, wobei das Objekt ein bezüglich der einfallenden Energie teilweise transparentes Objekt ist mit bekannter räumlicher Weglänge zwischen einer ersten und einer zweiten Stelle in dem Objekt, und wobei der erste Brennfleck diese erste Stelle im ersten Objekt ist, und der zweite Brennfleck durch Fokussieren durch dieses Objekt hindurch von der ersten Stelle zur zweiten Stelle im Objekt entsteht; und

Bestimmen des Brechungsindexes dieses Objekts zwischen der ersten und zweiten Stelle im Objekt durch Vergleich der Energiestrahlungsweglängendifferenz mit der bekannten räumlichen Weglänge.

4. Verfahren zum Bestimmen der räumlichen Weglänge zwischen zwei Stellen an einem Objekt, welches umfaßt:

Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2, wobei das Objekt ein bezüglich Energie teilweise transparentes Objekt mit bekanntem Brechungsindex zwischen der ersten und zweiten Stelle in diesem Objekt ist, wobei sich der erste Brennfleck an der ersten Stelle im Objekt befindet und der zweite Brennfleck dadurch gebildet wird, daß durch dieses Objekt hindurch von der ersten Stelle zur zweite Stelle in diesem Objekt fokussiert wird; und

Feststellen der räumlichen Weglänge zwischen der ersten und zweiten Stelle aus der Energiestrahlungsweglängendifferenz und dem bekannten Brechungsindex.

5. Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindexes eines Objekts zwischen zwei Stellen in diesem Objekt, wobei dieses Objekt für Energie teilweise transparent ist mit einer bekannten räumlichen Weglänge zwischen einer ersten und zweiten Stelle in diesem Objekt, wobei dieses Verfahren umfaßt:

Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1;

kohärentes Ausrichten eines Teils eines weiteren ausleuchtenden Energiestrahls aus einer kohärenten Energiequelle durch diese erste kohärente Energieführungsvorrichtung zur ersten Austrittsöffnung;

kohärentes Ausrichten eines zweiten Teils eines weiteren ausleuchtenden Energiestrahls durch die zweite kohärente Energieführungsvorrichtung zur zweiten Austrittsöffnung,

wobei der erste und zweite Teil des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls an der ersten bzw. zweiten Austrittsöffnung zumindest teilweise kohärent zueinander sind;

kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil weiterer ausgestrahlter Energie von der ersten Austrittsöffnung durch die erste Stelle und durch das Objekt und in einen zweiten Brennfleck, welcher sich mit dem Objekt an einer zweiten Stelle schneidet;

räumliches konfokales Ausfiltern und kohärentes Ausrichten auf ein Interferometer von zumindest einem Teil eines zweiten kohärenten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem weiteren ausleuchtenden Energiestrahl vom zweiten Brennfleck und dem Objekt an der zweiten Stelle entsteht, wobei der zweite Signalstrahl kohärent zum ausleuchtenden Energiestrahl ist;

kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil des zweiten Teils des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls, welcher als zweiter Referenzstrahl bezeichnet wird, von der zweiten Austrittsöffnung zum Interferometer, wobei der zweite Referenzstrahl und der zweite Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein zweites Ausgabesignal erzeugt wird;

Berechnen der zweiten Energiestrahlungsweglängendifferenz aus diesem zweiten Ausgabesignal, wobei die zweite Energiestrahlungsweglängendifferenz auftritt zwischen einem dritten Energiestrahlungsweg, der von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung hindurch zum Schnittpunkt des zweiten Brennflecks mit dem Objekt an der zweiten Stelle und von der zweiten Stelle zum Interferometer führt, sowie einem vierten Energiestrahlungsweg, der von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung hindurch zum Interferometer führt; und

Ermitteln des Brechungsindexes des Objekts zwischen der ersten und zweiten Stelle in Objekt durch Vergleichen der Differenz zwischen der ersten und zweiten Energiestrahlungsweglängendifferenz mit der bekannten räumlichen Weglänge.

6. Verfahren zum Bestimmen der räumlichen Weglänge zwischen zwei Stellen in einem Objekt, wobei das Objekt für Energie teilweise transparent ist mit bekanntem Brechungsindex zwischen der ersten und zweiten Stelle im Objekt,

wobei dieses Verfahren umfaßt:

Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1;

kohärentes Ausrichten eines Teils eines weiteren ausleuchtenden Energiestrahls aus einer kohärenten Energiequelle durch die erste kohärente Energieführungsvorrichtung hindurch auf die erste Austrittsöffnung;

kohärentes Ausrichten eines zweiten Teils des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls durch die zweite kohärente Energieführungsvorrichtung auf die zweite Austrittsöffnung

wobei der erste Teil und der zweite Teil des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls bei der ersten bzw. zweiten Austrittsöffnung zumindest teilweise kohärent zueinander sind;

kohärentes Fokussieren von zumindest einem Teil weiterer ausleuchtender Energiestrahlung, welche von der ersten Austrittsöffnung durch die erste Stelle und das Objekt hindurch zu einem zweiten Brennfleck verläuft, welcher das Objekt an einer zweiten Stelle schneidet;

räumliches konfokales Ausfiltern und kohärentes Ausrichten auf ein Interferometer von zumindest einem Teil eines zweiten kohärenten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem weiteren ausleuchtenden Energiestrahl am zweiten Brennfleck und dem Objekt an der zweiten Stelle entsteht, wobei der zweite Signalstrahl kohärent zum ausleuchtenden Energiestrahl ist;

kohärentes Ausrichten von zumindest einem Teil des zweiten Teils des weiteren ausleuchtenden Energiestrahls, welcher im weiteren als zweiter Referenzstrahl bezeichnet wird, von der zweiten Austrittsöffnung auf das Interferometer, wobei der zweite Referenzstrahl und der zweite Signalstrahl miteinander interferieren und wodurch ein zweites Ausgabesignal entsteht;

Berechnen der Energiestrahlungsweglängendifferenz aus dem zweiten Ausgabesignal, wobei die zweite Energiestrahlungsweglängendifferenz auftritt zwischen einem dritten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung hindurch zum Schnittpunkt des Brennflecks mit dem Objekt an der zweiten Stelle und von der zweiten Stelle zum Interferometer verläuft, sowie einem vierten Energiestrahlungsweg, welcher von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung hindurch zum Interferometer verläuft; und

Ermitteln der räumlichen Weglänge zwischen der ersten und zweiten Stelle im Objekt durch Vergleichen der Differenz zwischen der ersten und zweiten Energiestrahlungsweglängendifferenz mit dem bekannten Brechungsindex.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 6, welches weiterhin umfaßt:

Abtasten des Objekts durch Bewegen des Brennflecks (der Brennflecke) relativ zum Objekt.

8. Mikroskop zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängendifferenzen, welches umfaßt:

eine Energiequelle, welche einen ausleuchtenden Energiestrahl ausstrahlt, wobei zumindest ein Teil des ausleuchtenden Energiestrahls im wesentlichen kohärent ist;

eine erste kohärente Energieführungsvorrichtung (114, 208, 308, 411, 411, 534, 614), welche mit der Energiequelle zusammenwirkt, um einen ersten Teil des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls zu empfangen, wobei die erste kohärente Energieführungsvorrichtung eine Energieaustrittsöffnung umfaßt, welche als erste Austrittsöffnung (119, 208, 322, 411, 422, 534, 619) bezeichnet wird;

eine zweite kohärente Energieführungsvorrichtung (115, 209, 309, 410, 410, 508, 615), welche mit der Energiequelle zusammenwirkt, um einen zweiten Teil des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls kohärent zu empfangen, wobei die zweite kohärente Energieführungsvorrichtung eine Energieaustrittsöffnung hat, welche als zweiter Austrittsöffnung (121, 209, 324, 410, 426, 508, 620) bezeichnet wird,

wobei die ausleuchtenden Energiestrahlen bei der ersten und zweiten Austrittsöffnung kohärent zueinander sind;

eine Energiefokussiervorrichtung (122, 214, 329, 409, 409, 513, 622), welche mit der ersten Austrittsöffnung zusammenwirkt, um zumindest einen Teil von aus der ersten Austrittsöffnung austretender ausleuchtender Energiestrahlung kohärent in einem Brennfleck (125, 211, 330, 412, 412, 532, 626) zu fokussieren, welcher ein Objekt (124, 213, 332, 414, 414, 514, 624) schneidet;

eine erste Energieausrichtvorrichtung (122, 214, 215, 216, 217, 328, 329, 308, 409, 409, 513, 534, 622, 614), welche mit der ersten Austrittsöffnung und der Energiefokussiervorrichtung zusammenwirkt zum räumlichen und konfokalen Ausfiltern sowie kohärenten Ausrichten von zumindest einem Teil eines Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl im Brennfleck und dem Objekt entsteht und auf ein Interferometer (107, 219, 302, 404, 404, 533, 602) gerichtet wird, wobei der Signalstrahl kohärent ist zum ausleuchtenden Energiestrahl;

eine zweite Energieausrichtvorrichtung (126, 214, 215, 224, 225, 327, 410, 426, 509, 512, 534, 622, 619), welche mit der zweiten Austrittsöffnung und dem Interferometer zusammenwirkt, um zumindest einen Teil des zweiten Teils des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher als Referenzstrahl bezeichnet wird, kohärent von der zweiten Austrittsöffnung auf das Interferometer auszurichten, wobei der Referenzstrahl und der Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein Ausgabesignal entsteht; und

einen Rechner (128, 238, 318, 417, 417, 524, 628), welcher mit dem Interferometer zusammenwirkt, um aus dem Ausgabesignal die Energiestrahlungsweglängendifferenz zu berechnen zwischen einem ersten Energiestrahlungsweg, welcher über die Energiefokussiervorrichtung von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des Brennflecks mit dem Objekt und über die erste Energieausrichtvorrichtung vom Schnittpunkt zum Interferometer verläuft, sowie einem zweiten Energiestrahlungsweg, welcher über die zweite Energieausrichtvorrichtung von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung zum Interferometer verläuft.

9. Mikroskop zum Messen der Differenz zwischen zwei Energiestrahlungsweglängen, welches umfaßt:

eine Energiequelle (601), welche einen ausleuchtenden Energiestrahl aussendet, wobei zumindest ein Teil des ausleuchtenden Energiestrahls im wesentlichen kohärent ist;

eine erste kohärente Energieführungsvorrichtung (614), welche mit der Energiequelle zusammenwirkt, um einen ersten Teil des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls kohärent zu empfangen, wobei die erste kohärente Energieführungsvorrichtung eine Energieaustrittsöffnung umfaßt, welche als erste Austrittsöffnung (615) bezeichnet wird;

eine zweite kohärente Energieführungsvorrichtung (619), welche mit der Energiequelle zusammenwirkt, um einen zweiten Teil des kohärenten ausleuchtenden Energiestrahls kohärent zu empfangen, wobei die zweite kohärente Energieführungsvorrichtung eine Energieaustrittsöffnung umfaßt, welche als zweite Austrittsöffnung (620) bezeichnet wird;

wobei die ausleuchtenden Strahlen bei der ersten und zweiten Austrittsöffnung kohärent zueinander sind;

eine erste Energiefokussiervorrichtung (622), welche mit der ersten Austrittsöffnung zusammenwirkt, um zumindest einen Teil der von der ersten Austrittsöffnung austretenden ausleuchtenden Energie in einem ersten Brennfleck (626), welcher ein Objekt (624) schneidet, kohärent zu fokussieren;

eine erste Energieausrichtvorrichtung (622, 614), welche mit der ersten Austrittsöffnung und der ersten Energiefokussiervorrichtung zusammenwirkt zum räumlichen und konfokalen Ausfiltern und kohärentem Ausrichten auf ein Interferometer (602) von zumindest einem Teil eines ersten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl im ersten Brennfleck und dem Objekt entsteht, wobei der erste Signalstrahl zum ausleuchtenden Energiestrahl kohärent ist;

eine zweite Energiefokussiervorrichtung (622), welche mit der zweiten Austrittsöffnung zusammenwirkt zum kohärenten Fokussieren von zumindest einem Teil des ausleuchtenden Energiestrahls, welcher aus der zweiten Austrittsöffnung in einen das Objekt schneidenden zweiten Brennfleck (625) austritt;

eine zweite Energieausrichtvorrichtung (622, 619), welche mit der zweiten Austrittsöffnung und der zweiten Energiefokussiervorrichtung zusammenwirkt zum kohärenten Ausrichten auf das Interferometer von zumindest einem Teil eines zweiten Signalenergiestrahls, welcher durch die Wechselwirkung zwischen dem ausleuchtenden Energiestrahl im zweiten Brennfleck und dem Objekt entsteht, wobei der zweite Signalstrahl kohärent ist zum ausleuchtenden Energiestrahl;

wobei der erste und zweite Signalstrahl miteinander interferieren, wodurch ein Ausgabesignal erzeugt wird; und

einen Rechner (628), welcher mit dem Interferometer zusammenwirkt, um aus dem Ausgabesignal die Energiestrahlungsweglängendifferenz zu ermitteln zwischen einem ersten Energiestrahlungsweg, der über die erste Energiefokussiervorrichtung von der Energiequelle durch die erste Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des ersten Brennflecks mit dem Objekt und über die erste Energieausrichtvorrichtung vom Schnittpunkt des ersten Brennflecks mit dem Objekt zum Interferometer führt, sowie einem zweiten Energiestrahlungsweg, der über die zweite Energiefokussiervorrichtung von der Energiequelle durch die zweite Energieführungsvorrichtung zum Schnittpunkt des zweiten Brennflecks mit dem Objekt führt und über die zweite Energieausrichtvorrichtung über die zweite Energiefokussiervorrichtung vom Schnittpunkt des zweiten Brennflecks mit dem Objekt bis zum Interferometer.

10. Mikroskop nach Anspruch 9, wobei es sich bei der ersten und der zweiten Energiefokussiervorrichtung um dieselbe Energiefokussiervorrichtung handelt.

11. Mikroskop nach Anspruch 8 oder 9, wobei es sich bei der ersten und der zweiten kohärenten Energieführungsvorrichtung um dieselbe kohärente Energieführungsvorrichtung handelt, und es sich bei der ersten und zweiten Energieausrichtvorrichtung um dieselbe Energieausrichtvorrichtung handelt.

12. Mikroskop nach Anspruch 9, wobei die zweite Energieausrichtvorrichtung zumindest eine Energieführungsvorrichtung (619) und zumindest eine Energiefokussiervorrichtung (622) zum Einfangen des zweiten Signalstrahls umfaßt, wobei die Energiefokussiervorrichtung(en) mit der zweiten Energieführungsvorrichtung zusammenwirken, um den Kern der zweiten Energieführungsvorrichtung an ihrem Eingangsbereich auf den zweiten Brennfleck abzubilden, wobei für die numerische Apertur NA des zweiten Signalstrahls, welcher aus dem zentralen Bereich des zweiten Brennflecks stammt, die Wellenlänge k des zweiten Signalstrahls sowie den durchschnittlichen Durchmesser d des Kerns der Energieführungsvorrichtung an ihrem Eintritt die folgende Gleichung gilt:

NA < oder 0,6 k/d.

13. Mikroskop nach Anspruch 8, 9 oder 12, wobei die erste Energieausrichtvorrichtung zumindest eine Energieführungsvorrichtung (614) und zumindest eine Energiefokussiervorrichtung (622) zum Einfangen des ersten Signalstrahls umfaßt, wobei die Energiefokussiervorrichtung(en) zusammenwirken mit der ersten Energieführungsvorrichtung, um den Kern der ersten Energieführungsvorrichtung an ihrem Eingangsbereich auf den ersten Brennfleck abzubilden, wobei für die numerische Apertur NA des ersten Signalstrahls, welcher aus dem zentralen Bereich des ersten Brennflecks stammt, die Wellenlänge k des ersten Signalstrahls sowie den durchschnittlichen Durchmesser d des Kerns der Energieführungsvorrichtung an ihrem Eintritt die folgende Gleichung gilt:

NA < oder 0,6 k/d.

14. Mikroskop nach Anspruch 8, 9 oder 12, wobei die erste und die zweite Energieausrichtvorrichtung Teile der ersten und zweiten Energieführungsvorrichtung umfassen.

15. Mikroskop nach Anspruch 8, 9 oder 12, wobei die erste und zweite Austrittsöffnung miteinander so verbunden sind, daß sie relativ zueinander ruhen, und wobei zusätzlich eine Abtastvorrichtung (130, 252, 325, 428, 428, 511, 630) vorgesehen ist, welche mit den Austrittsöffnungen zusammenwirkt, um den Brennfleck (die Brennflecke) relativ zum Objekt zu bewegen.

16. Mikroskop nach Anspruch 8, 9 oder 12, wobei der erste oder Energiestrahlungsweg einen Energiestrahlungsweglängenwandler (117, 235, 317, 423, 617) umfaßt und der Rechner mit dem Energiestrahlungsweglängenwandler zusammenwirkt, um einen Betrieb des Interferometers zu ermöglichen, bei dem interferierende Teilwellen um 90º zueinander phasenverschoben sind.

17. Mikroskop nach Anspruch 8, 9 oder 12, wobei das Mikroskop weiterhin umfaßt:

eine dritte kohärente Energiestrahlführungsvorrichtung (103, 303, 603), welche mit der Energiequelle zusammenwirkt;

einen Energiestrahlteiler (102, 302, 602), welcher mit der dritten kohärenten Energiestrahlführungsvorrichtung sowie der ersten und zweiten Energiestrahlführungsvorrichtung zusammenwirkt, wobei kohärente ausleuchtende Energiestrahlung, welche von der Energiequelle ausgestrahlt wird, kohärent in die dritte Energiestrahlführungsvorrichtung eingekoppelt wird, um einen Teil der ausleuchtenden Energiestrahlung kohärent zum Energiestrahlteiler zu leiten, wo ein Teil der ausleuchtenden Energiestrahlung kohärent in die erste Energiestrahlführungsvorrichtung eingekoppelt wird und ein weiterer Teil der ausleuchtenden Energiestrahlung kohärent in die zweite Energiestrahlführungsvorrichtung eingekoppelt wird.

18. Mikroskop nach Anspruch 8, 9 oder 12, welches weiterhin eine Abtastvorrichtung (130, 252, 325, 428, 428, 511, 630) umfaßt, welche mit dem Mikroskop zusammenwirkt, um den (die) Brennfleck(e) relativ zum Objekt zu verschieben.

19. Mikroskop nach Anspruch 8, 9 oder 12, mit einer Energiequelle für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich des fernen UV bis zum fernen IR, einschließlich derselben, wobei die Energieführungsvorrichtung(en) mindestens eine optische Multimodefaser, mindestens eine optische Monomodefaser oder mindestens ein kohärentes Faserbündel ist (sind).

20. Mikroskop nach Anspruch 8,

wobei die Energiequelle eine Lichtquelle ist, welche ausleuchtendes Licht ausstrahlt mit zumindest einer Wellenlänge im Bereich des fernen UV bis zum fernen IR, einschließlich derselben;

wobei die erste Energiestrahlführungsvorrichtung eine erste optische Faser umfaßt, welche mit einem ersten Strahlteiler (102, 302, 602) zusammenwirkt, um einen ersten Teil des kohärenten ausleuchtenden Lichtstrahls kohärent zu empfangen, wobei die erste optische Faser einen zweiten Strahlteiler (108, 312, 608) sowie eine Lichtaustrittsöffnung als erste Austrittsöffnung umfaßt;

wobei die zweite Energiestrahlführungsvorrichtung eine zweite optische Faser umfaßt, welche mit der Lichtquelle zusammenwirkt, um einen zweiten Teil des kohärenten ausleuchtenden Lichtstrahls über den ersten Strahlteiler kohärent zu empfangen, wobei die zweite optische Faser eine Lichtaustrittsöffnung als zweite Austrittsöffnung umfaßt, sowie einen Lichtweglängenwandler (117, 317, 617);

wobei die Energiefokussiervorrichtung (122, 329, 622) eine Lichtfokussiervorrichtung ist zum kohärenten Fokussieren von zumindest einem Teil des von der ersten Austrittsöffnung stammenden ausleuchtenden Lichts in den Brennfleck, wobei es sich bei diesem um einen beugungsbegrenzten Brennfleck handelt;

wobei die erste Energieausrichtvorrichtung die Energiefokussiervorrichtung umfaßt zum kohärenten Ausrichten von zumindest einem Teil eines aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Brennfleck und dem Objekt entstehenden Signallichtstrahls über die erste optische Faser und den zweiten Strahlteile auf die erste Austrittsöffnung und dadurch auf den den ersten Strahlteiler, welcher als das Interferometer dient;

wobei für die numerische Apertur NA des zweiten Signalstrahls, welcher aus dem zentralen Bereich des Brennflecks stammt, die Wellenlänge k des Signallichtstrahls sowie den durchschnittlichen Durchmesser d des lichtführenden Kerns der ersten optischen Faser an ihrem Austritt die folgende Gleichung gilt:

NA < oder 0,6 k/d;

wobei die zweite Energieausrichtvorrichtung einen Lichtreflektor umfaßt zum kohärenten Ausrichten des Referenzstrahls über die zweite Austrittsöffnung und die zweite optische Faser auf den ersten Strahlteiler;

und das Mikroskop weiterhin umfaßt:

einen Detektor (127, 343, 627), welcher mit dem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um das Ausgabesignal zu erfassen;

eine Abtastvorrichtung, welche mit der ersten und zweiten Austrittsöffnung zusammenwirkt, wobei die erste und der zweite Austrittsöffnung relativ zur Fokussiervorrichtung und zum Reflektor verschiebbar sind, wobei die Fokussiervorrichtung und der Reflektor relativ zum Objekt ruhen, wobei aber die Austrittsöffnungen nicht gegeneinander verschiebbar sind; und

einen zweiten Detektor (145, 346, 645), welcher mit dem zweiten Strahlteiler zusammenwirkt, um das Lichtsignal aus der ersten optischen Faser zu erfassen; und

der Rechner mit dem Lichtweglängenwandler, dem ersten Detektor und dem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um den Referenzstrahl und den Signalstrahl um 90º zueinander phasenverschoben zu halten und mittels des zweiten Detektors zu bestimmen, wann der Brennfleck im wesentlichen auf die Oberfläche des Objekts fokussiert ist.

21. Mikroskop nach Anspruch 9,

wobei die Energiequelle eine Lichtquelle ist, welche ausleuchtendes Licht ausstrahlt mit zumindest einer Wellenlänge im Bereich des fernen UV bis zum fernen IR;

wobei die erste Energiestrahlführungsvorrichtung eine erste optische Faser umfaßt, welche mit einem ersten Strahlteiler zusammenwirkt um einen ersten Teil des kohärenten ausleuchtenden Lichtstrahls kohärent zu empfangen, wobei die erste optische Faser einen zweiten Strahlteiler sowie eine Lichtaustrittsöffnung als erste Austrittsöffnung umfaßt;

wobei die zweite Energiestrahlführungsvorrichtung eine zweite optische Faser umfaßt, welche mit der Lichtquelle zusammenwirkt um einen zweiten Teil des kohärenten ausleuchtenden Lichtstrahls über den ersten Strahlteiler zu empfangen, wobei die zweite optische Faser eine Lichtaustrittsöffnung als zweite Austrittsöffnung umfaßt sowie einen Lichtweglängenwandler;

wobei die erste Energiefokussiervorrichtung eine Lichtfokussiervorrichtung ist, um zumindest einen Teil des ausleuchtenden Lichts kohärent zu fokussieren, welches von der ersten Austrittsöffnung in den ersten Brennfleck ausgestrahlt wird, der ein beugungsbegrenzter Brennfleck ist;

wobei die erste Energieausrichtvorrichtung die Fokussiervorrichtung umfaßt, welche dazu dient, zumindest einen Teil eines durch die Wechselwirkung zwischen dem ersten Brennfleck und dem Objekt entstehenden ersten Signallichtstrahls auf die erste Austrittsöffnung und dadurch über die erste optische Faser und den zweiten Strahlteiler auf den als das Interferometer dienenden ersten Strahlteiler kohärent auszurichten;

wobei für die numerische Apertur NA des ersten Signalstrahls, welcher aus dem zentralen Bereich des ersten Brennflecks stammt, die Wellenlänge k des ersten Signallichtstrahls sowie den durchschnittlichen Durchmesser d des lichtführenden Kerns der ersten optischen Faser an der ersten Austrittsöffnung die folgende Gleichung gilt:

NA < oder 0,6 k/d;

wobei es sich bei dieser Lichtfokussiervorrichtung auch um die zweite Energiefokussiervorrichtung zum kohärenten Fokussieren von zumindest einem Teil des ausleuchtenden Lichts handelt, welches von der zweiten Austrittsöffnung in den zweiten Brennfleck geführt wird, bei dem es sich um einen beugungsbegrenzten Brennfleck handelt;

wobei die zweite Energieausrichtvorrichtung auch die Fokussiervorrichtung umfaßt, welche dazu dient, zumindest einen Teil eines durch die Wechselwirkung zwischen dem zweiten Brennfleck und dem Objekt entstehenden zweiten Signallichtstrahls auf die zweite Austrittsöffnung und dadurch über die zweite optische Faser auf den ersten Strahlteiler kohärent auszurichten;

wobei für die numerische Apertur NA des zweiten Signalstrahls, welcher aus dem zentralen Bereich des zweiten Brennflecks stammt, die Wellenlänge k des zweiten Signalstrahls sowie den durchschnittlichen Durchmesser d des lichtführenden Kerns der zweiten optischen Faser an der zweiten Austrittsöffnung die folgende Gleichung gilt:

NA < oder 0,6 k/d;

und das Mikroskop weiterhin umfaßt:

einen ersten Detektor (627), welcher mit dem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um das Ausgabesignal zu erfassen;

eine Abtastvorrichtung, welche mit der ersten und der zweiten Austrittsöffnung zusammenwirkt, wobei die erste und die zweite Austrittsöffnung relativ zur Fokussiervorrichtung verschiebbar sind, welche ihrerseits relativ zum Objekt ruht, wobei aber die Austrittsöffnungen nicht gegeneinander verschiebbar sind;

einen zweiten Detektor (645), welcher mit dem zweiten Strahlteiler zusammenwirkt, um das Lichtsignal aus der ersten optischen Faser zu erfassen; und

dieser Rechner mit dem Lichtweglängenwandler, dem ersten Detektor und dem ersten Strahlteiler zusammenwirkt, um den interferierenden Referenzstrahl und Signalstrahl um 90º zueinander phasenverschoben zu halten und mittels des zweiten Detektors zu bestimmen, wann die erste Austrittsöffnung im wesentlichen auf die Oberfläche des Objekts fokussiert ist.