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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Reflektometrie und
insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der
Dicke eines Films, z. B. einer Lage oder einer Bahn.
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Bei
vielen industriellen Prozessen ist die Steuerung der Filmdicke von
kritischer Bedeutung. Beispielsweise erfordert die Herstellung von
photographischem Film die Erzeugung einer gleichmäßigen Emulsionsschicht
auf einer Unterlage. Vom Standpunkt der Prozeßsteuerung ist es vorteilhaft,
in der Lage zu sein, die Filmdicke während des Filmerzeugungsprozesses
zu messen, statt den Film in einem Labor zu messen, nachdem der
Film hergestellt wurde. Falls Proben auf eine vom Prozeß abgekoppelte
Weise gemessen werden, kann eine Korrektur einer etwaigen Maschinenfehlfunktion
erst durchgeführt
werden, nachdem eine beträchtliche
Menge an defektem Material verarbeitet wurde. Dies führt zu Ausschuß. Für die Zwecke
der vorliegenden Erörterung
umfaßt
der Begriff „Film" Lagen und Bahnen.
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Bekannte
Verfahren zum Messen einer Filmdicke können in Kontaktverfahren und
Nicht-Kontakt-Verfahren unterteilt werden. Bei einem Kontaktverfahren
wird ein Mikrometer verwendet, das mit beiden Seiten des Films in
physischen Kontakt kommt. Diese Verfahren weisen den Nachteil auf, daß der Film
während
der Messung physisch verformt wird, was zu ungenauen Messungen und
möglichen
Schäden
an dem Film aufgrund eines Lochfraßes bzw. einer Grübchenbildung
oder aufgrund eines Kratzens führt.
Ferner ist es schwierig, die Verfahren für die prozeßgekoppelte Messung von sich
schnell bewegenden Filmbahnen anzuwenden.
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Nicht-Kontakt-Verfahren,
die auf der Dämpfung
eines Strahls von subatomaren Partikeln wie z. B. Betapartikeln
oder Gammastrahlen beruhen, sind im Stand der Technik ebenfalls
bekannt. Beispielsweise wird bei einem bekannten Verfahren dieses Typs
die Dämpfung
eines Elektronenstrahls durch den Film verwendet, um die Filmdicke
zu bestimmen. Diese Methodologie weist drei Nachteile auf. Erstens muß das System
für jeden
Filmtyp kalibriert werden, da die Dämpfung von der chemischen Zusammensetzung
und Dichte des Films abhängt.
Zweitens stützt
sich das System in der Regel auf eine radioaktive Quelle, um den
Partikelstrahl zu erzeugen. Aus Kosten-, Sicherheits- und psychologischen
Gründen ist
es allgemein wünschenswert,
die Verwendung von radioaktivem Material zu begrenzen. Drittens
ist normalerweise ein Zugriff auf beide Seiten des Films erforderlich,
so daß die
Quelle auf einer Seite und der Detektor auf der anderen plaziert
werden kann.
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Verfahren
zum Messen der Dicke von Filmen unter Verwendung eines optischen
Autokorrelators sind im Stand der Technik ebenfalls bekannt. Für die Zwecke
dieser Erläuterung
ist ein optischer Autokorrelator als ein Interferometer definiert,
das eine variable Differentialzeitverzögerung aufweist. Ein Beispiel
eines derartigen Autokorrelators ist ein Michelson-Interferometer.
Beispielsweise beschreibt die US-Patentschrift 3,319,515 an Flournoy
die Verwendung eines Michelson-Interferometers zum Messen der Dicke
eines Films. Bei diesem System wird der Film in einem Winkel bezüglich der
Oberfläche
des Films mit einem kollimierten Lichtstrahl beleuchtet. Die vordere
und die hintere Oberfläche
des Films erzeugen reflektierte Lichtsignale. Die Entfernung zwischen
den zwei reflektierenden Oberflächen
wird anschließend
bestimmt, indem die Spitzen in dem Autokorrelationsspektrum untersucht
werden, das in einem Michelson-Interferometer,
das das reflektierte Licht als seinen Eingang empfängt, erzeugt
wird.
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Die
Anwendung dieser Art von Autokorrelationstechnologie auf die Messung
von sehr dünnen
Filmen weist eine Anzahl von Problemen auf. Die Ausgabe des Interferometers
ist ein sinusförmiges
Streifenmuster, das durch eine Hüllkurvenfunktion,
die eine Anzahl von Spitzen aufweist, moduliert wird. Um die Dicke
von sehr dünnen
Filmen genau zu messen, muß die
Mitte jeder Spitze mit einem hohen grad an Genauigkeit bestimmt
werden. Bei bekannten Systemen wird die Ausgabe des Interferometers
mit einer durch das Nyquist-Kriterium
spezifizierten Rate abgetastet, was dazu führt, daß zumindest zwei Abtastwerte
pro Zyklus der zugrundeliegenden Sinuswelle genommen werden. Bei
Systemen, die eine schnelle Verarbeitung erfordern, erlegt die sich
ergebende Anzahl von Datenpunkten dem System eine beträchtliche
Rechenlast auf. Um diese Last zu berücksichtigen, müssen teurere
Rechenmaschinen verwendet werden, was die Kosten des Meßsystems
erhöht.
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Die
Genauigkeit, mit der der Unterschied der Spitzenmitten bestimmt
werden kann, hängt
ferner von der Spektralbreite der Niedrigkohärenzlichtquelle ab, die zum
Beleuchten des Films verwendet wird. Wie nachfolgend ausführlicher
erläutert
wird, liefern Quellen einer größeren Breite
eine genauere Bestimmung des Unterschieds. Bekannte interferometrische
Filmmeßsysteme
verwenden entweder eine Weißlichtquelle
oder eine lichtemittierende Diode (LED). Während die Weißlichtquelle
die notwendige Spektralbreite liefert, ist die Intensität von Licht,
das zu dem Film gekoppelt werden kann, bei vielen Anwendungen zu
niedrig, um angemessene Signal/Rausch-Verhältnisse zu liefern. Während eine LED-Quelle eine höhere Leistung
liefern kann, ist die Spektrallinienbreite der Quelle zu schmal,
um eine optimale Auflösung
zu liefern.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte Messung der Dicke
eines Films.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen
der Dicke eines Films gemäß Anspruch
1 vorgesehen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Messen der Dicke eines Films gemäß Anspruch
5 vorgesehen.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
liefert ein System, das keinen Kontakt zwischen dem Film und der
Meßvorrichtung
erfordert. Das System kann die Filmdicke exakt bestimmen, ohne eine
Abtastrate zu erfordern, die zwei oder mehr Abtastwerte pro Periode
der zugrundeliegenden Sinuswelle erfordert. Ferner ist es möglich, die
Vorteile, die mit Lichtquellen einer großen Spektralbreite erhältlich sind,
zu erzielen, während
eine größere Lichtintensität zu dem gemessenen
Film gekoppelt wird, als unter Verwendung einer Weißlichtquelle
gekoppelt werden kann.
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Bei
der Erfindung wird der Film mit einem Niedrigkohärenzlichtsignal beleuchtet,
das vorzugsweise von einer Quelle erzeugt wird, die zwei oder mehr
LEDs aufweist. Das von den Oberflächen des Films reflektierte
Licht wird gesammelt und zu einem Interferometer gekoppelt. Die
Neigung der Fourier-Transformierten
eines Abschnitts des Ausgangs des Signals aus dem Interferometer
wird verwendet, um die Dicke des Films zu bestimmen. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
wird der Interferometerausgang an weniger als zwei Punkten pro Zyklus des
Niedrigkohärenzlichtsignals
abgetastet.
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Unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen wird nachstehend lediglich
beispielhaft ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines
bevorzugten Ausführungsbeispiels
zum Messen der Dicke eines Films;
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2 das durch das in 1 gezeigte Michelson-Interferometer erzeugte
Signal;
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3 eine verbreiterte Ansicht
eines der in 1 gezeigten
Pakete;
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4 einen Graphen des Absolutwerts
der Fourier-Transformierten
einer der Spitzen in dem Ausgang des in 1 gezeigten Interferometers als Funktion
der Frequenz, wenn eine LED als die Lichtquelle verwendet wird;
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5 einen Graphen der Phase
der Fourier-Transformierten
einer der Spitzen in dem Ausgang des in 1 gezeigten Interferometers als Funktion
der Frequenz, wenn eine LED als die Lichtquelle verwendet wird;
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6 einen Graphen des Absolutwerts
der Fourier-Transformierten
einer der Spitzen in dem Ausgang des in 1 gezeigten Interferometers als Funktion
der Frequenz, wenn ein Paar von LEDs als die Lichtquelle verwendet
werden;
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7 einen Graphen der Phase
der Fourier-Transformierten
einer der Spitzen in dem Ausgang des in 1 gezeigten Interferometers als Funktion
der Frequenz, wenn ein Paar von LEDs als die Lichtquelle verwendet
werden; und
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8 ein Blockdiagramm einer
auf zwei LEDs beruhenden zusammengesetzten Lichtquelle.
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1 und 2 veranschaulichen die Messung der Dicke
eines Films 13, der an einer Vorrichtung 10 gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
vorbeiläuft.
Die Vorrichtung 10 beleuchtet den Film 13 mit
einem durch eine Quelle 12, die vorzugsweise eine Superlumineszenzdiode
oder eine LED ist, erzeugten Niedrigkohärenzlicht. Für die Zwecke
dieser Erläuterung
ist eine Niedrigkohärenzlichtquelle
als eine Quelle definiert, die eine funktionelle Spektralbreite
aufweist, die größer ist
als 0,1% ihrer Mittenfrequenz. Das Licht wird über eine optische Faser 14 und
eine Linse 15 an den Film 13 geliefert. Die Linse 15 fokussiert
das Licht auf den Film 13 und sammelt einen Teil des reflektierten
Lichts, das zu der Faser 14 zurückgekoppelt wird. Ein Teil
des gesammelten Lichts wird über
einen Koppler 16 und eine Faser 17 an einen Autokorrelator 18 geliefert.
Optische Koppler zur Verwendung bei Faseroptik sind in der Technik
hinreichend bekannt und werden deshalb hier nicht ausführlicher
erläutert.
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Das
an den Autokorrelator 18 gelieferte Lichtsignal umfaßt zwei
Lichtsignale, die sich aus der Reflexion des Lichts, das an den
zwei Oberflächen des
Films 13 auf den Film 13 auftrifft, ergibt. Falls
der Film 13 einen Gruppenindex gleich η und eine Dicke L aufweist,
sind die zwei Lichtsignale zeitlich durch by 2 ηL/c beabstandet, wobei c die
Lichtgeschwindigkeit ist. Das auf den Autokorrelator auftreffende
Licht wird durch einen Strahlteiler 19 in zwei Strahlen
geteilt, die unterschiedliche Pfade durchlaufen. Der erste Pfad
wird durch die Position eines feststehenden Spiegels 20 und
der zweite durch einen beweglichen Spiegel 21 bestimmt.
Nach dem Durchlaufen der verschiedenen Pfade wird das Licht durch
den Teiler 19 rekombiniert und auf eine Photodiode 22 gerichtet, die
die Intensität
des Lichts mißt.
Die Lichtintensitätsmessungen
werden wie nachfolgend beschrieben durchgeführt.
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Die
Intensität
des Lichts als Funktion der Position X des Spiegels 21 ist
in 2 gezeigt. Diese Intensitätsfunktion
weist drei „Pakete" bzw. „Bursts" von Interferenzstreifen
auf, wie bei 51–53 gezeigt
ist. Das große
Paket 51 entspricht X = 0. Dieses Paket ergibt sich, wenn
die optischen Pfade eine gleiche Länge aufweisen und wenn sich
daher das Licht von jeder der Reflexionen kohärent selbst stört. Die zwei kleineren
Spitzen ergeben sich aus den Fällen,
bei denen sich die Pfade um die optische Entfernung zwischen den
zwei Oberflächen
des gemessenen Films unterscheiden. Diese Pakete ergeben sich aus der
gegenseitigen Interferenz der Reflexionen, die an den zwei Oberflächen des
gemessenen Films erzeugt werden. Diese Pakete sind bei X-Werten
positioniert, die gleich dem optischen Pfad zwischen den zwei Oberflächen des
Films sind, d. h. X0 = ηL. Daher ist das Problem des
Messens der Filmdicke darauf reduziert, die Entfernung zwischen
zwei Paketen beim Ausgang des Interferometers zu bestimmen.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird ein Referenzlaser verwendet, um eine
Kalibrierung von X zu liefern. Das Licht von dem Referenzlaser wird
mit dem Licht, das in den Autokorrelator eindringt, gemischt. Der Referenzlaser
weist eine Wellenlänge
auf, die sich von der der Lichtquelle, die verwendet wird, um die Signale
zu erzeugen, die an den Film angelegt werden, ausreichend unterscheidet,
so daß die
Interferenzstreifen von dem Referenzlaser durch einen Farbfilter
differenziert werden können.
Die Referenzstreifen werden verwendet, um das Abtasten der Ausgabe
aus der Photodiode 22 auszulösen. Eine derartige Anordnung
ist in einer gleichzeitig anhängigen
Anmeldung (US-Seriennummer: 08/304,247) gezeigt.
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Unglücklicherweise
kann die Anzahl von Interferenzstreifen in einem Paket ziemlich
groß sein, wie
in 3, die eine erweiterte
Ansicht eines typischen Pakets ist, gezeigt ist. Die Entfernung
zwischen den einzelnen Streifen entspricht der Wellenlänge des
durch die Lichtquelle 12 erzeugten Lichts. Die Breite des
Pakets wird durch die Kohärenzlänge des
durch die Lichtquelle 12 erzeugten Lichts bestimmt, die
eine Größenordnung
größer sein
kann, oder noch größer sein
kann, als die Wellenlänge.
Somit wird die Meßgenauigkeit
für Filme,
die Dicken der Größenordnung
von 10 bis 100 μm
aufweisen, durch die Genauigkeit, mit der die Entfernung zwischen
den Mitten von zwei Paketen bestimmt werden kann, begrenzt.
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Ein
Verfahren zum Bestimmen der Mitte eines ähnlichen Pakettyps verwendet
die Phase der Fourier-Transformierten der Paketintensität. Beispielsweise
zeigen Danielson et al. (Applied Optics, Vol 30, Nr. 21, S. 2975–2979),
daß die
Mitte eines aus dem Ausgang eines konventionellen Interferometers
erhaltenen Pakets aus der Fourier-Transformierten des Interferometerausgangs
bestimmt werden kann. Man betrachte ein Paket, dessen Mitte um Δx von dem
x-Ursprung verschoben ist. Dann kann gezeigt werden, daß die Phase
der Fourier-Transformierten des Pakets eine Neigung aufweist, die
gleich –2 πΔx ist. Diese
Beobachtung kann verwendet werden, um eine Schätzung der Mitte eines Pakets
zu verbessern.
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Man
betrachte das in 2 gezeigte
Paket 53. Die Fourier-Transformierte
dieses Pakets ist in den 4 und 5 gezeigt. 4 ist eine Darstellung der Größe der Fourier-Transformierten im
Frequenzbereich, und 5 ist
eine Darstellung der Phase der Fourier-Transformierten als Funktion
der Frequenz. Durch ein Messen der Neigung der Phase kann die Verschiebung
X0 von dem Ursprung bestimmt werden. Die
vorstehende Analyse geht davon aus, daß die Mitte des großen Pakets
bei x = 0 mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist. Dies ist jedoch
keine notwendige Bedingung. Falls die Mitte des Pakets an dem Ursprung
im Raumbereich nicht genau bekannt ist, kann der Vorgang bei diesem
Paket wiederholt werden, um seine Position relativ zu dem angenommenen
Ursprung zu bestimmen. Die Entfernung zwischen zwei Paketen kann
dann bestimmt werden, indem die bei der Analyse jedes der Pakete
erhaltenen Positionen subtrahiert werden.
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Das
oben beschriebene System geht davon aus, daß die Phase der Fourier-Transformierten
des Interferometerausgangs mit ausreichender Genauigkeit bestimmt
werden kann. Die dem obigen Schema zugrundeliegende Theorie geht
davon aus, daß jegliches
Rauschen im Vergleich zu der Fourier-Transformierten des Pakets gering ist.
Daher müssen
die zum Messen der Neigung in dem Frequenzbereich verwendeten Punkte
Regionen des Spektrums entsprechen, in denen die Größe der Fourier-Transformierten
im Vergleich zu jeglichem Rauschen groß ist. Exemplarische Punkte
sind in 4 bei 65 und 66 gezeigt.
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Allgemein
ist die Genauigkeit, mit der die Neigung der Phasenlinie bestimmt
werden kann, eine Funktion des Signal/Rausch-Verhältnisses
des Phasensignals und der Entfernung zwischen den Punkten 65 und 66.
Punkte mit einer größeren Beabstandung
liefern allgemein eine größere Genauigkeit als
Punkte, die in dem Frequenzbereich enger beabstandet sind. Jedoch
wird die maximale Entfernung zwischen den Punkten durch die Breite
der Größe des Fourier-Spektrums
bestimmt, da Punkte außerhalb
dieser Region Spektralregionen entsprechen, die schlechte Signal/Rausch-Verhältnisse
aufweisen. Während
die Bestimmung der Neigung etwas verbessert werden kann, indem die
Phase an einer Anzahl von Punkten zwischen den Punkten 65 und 66, für einen
beliebigen bestimmten Satz von Punkten zwischen den Punkten 65 und 66,
gemessen wird, verbessert sich die Genauigkeit, wenn die Entfernung
zwischen den Punkten 65 und 66 erhöht werden
kann.
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Die
Breite des Fourier-Größenspektrums wird
durch die Spektralbreite der Lichtquelle 12 bestimmt. Daher
erhöht
ein Erhöhen
der Spektralbreite des Ausgangs der Lichtquelle im Prinzip die Genauigkeit,
mit der die Neigung bestimmt werden kann. Die breiteste Quelle wäre eine
Weißlichtquelle;
jedoch weisen derartige Quellen relativ geringe Intensitäten auf.
Wie oben erwähnt
wurde, ist es ferner wichtig, ein Signal zu haben, das im Vergleich
zu den Rauschpegeln groß ist.
Bei vielen Anwendungen sind die von einer herkömmlichen Glühquelle erhältlichen Intensitäten zu gering,
um die benötigten
Signal/Rausch-Verhältnisse
zu liefern.
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Bei
der Erfindung wird dieses Intensitätsproblem überwunden, indem eine Quelle
verwendet wird, die zwei Quellen umfaßt, die bezüglich der Frequenz beabstandet
sind. Beispielsweise kann das Licht von einer roten und einer grünen LED
kombiniert werden. Diese zusammengesetzte Quelle wird statt der
oben unter Bezugnahme auf 1 erläuterten
einzelnen LED-Quelle verwendet. Nun sei auf 6 Bezug genommen, die ein Vergleich des
Spektrums einer derartigen Quelle mit dem einer bei 75 gezeigten
herkömmlichen
Weißlichtquelle
ist. Die einzelnen LED-Spektren sind bei 76 und 77 gezeigt. Die
zum Bestimmen der Neigung der Phasenlinie benötigten Phasenmessungen können an
den spektralen Spitzenintensitäten
der zwei Quellen, wie sie in 7 gezeigt
sind, durchgeführt
werden. Die Beabstandung der Punkte kann so gestaltet werden, daß sie fast
gleich der Beabstandung ist, die mit einem weißen Licht erhältlich ist,
während
die höhere
Ausgabeleistung der LEDs aufrechterhalten wird. In diesem Zusammenhang
sollte erwähnt
werden, daß die in 6 gezeigte Weißlichtkurve
relativ zu den LED-Spektralkurven nicht maßstabsgetreu gezeichnet ist.
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Die
oben erörterte
zusammengesetzte Lichtquelle kann aus zwei LED-Quellen und einem
Wellenlängemultiiplexierungskoppler
aufgebaut sein. Eine derartige Anordnung ist bei 100 in 8 gezeigt. Die rote LED-Quelle 102 ist
in das Ende einer ersten optischen Faser 106 abgebildet,
und die grüne LED-Quelle 104 ist
in das Ende einer zweiten optischen Faser 108 abgebildet.
Die zwei optischen Fasern sind durch einen Koppler 104 verbunden.
Das Licht von einem Zweig des Kopplers liefert die gewünschte zusammengesetzte
Lichtquelle.
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Die
oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
sorgen dafür,
daß die
Pakete von dem Interferometer an einer ausreichenden Anzahl von
Punkten abgetastet werden, um eine genaue Bestimmung der Phasenneigung
zu liefern. Falls der Signalverlauf unter Verwendung des Nyquist-Kriteriums
abgetastet wird, wie es üblicherweise
bei bekannten System verwendet wird, die die Phasenneigungsmeßtechnik verwenden,
so kann die Anzahl von Punkten ziemlich groß sein. Dieses Kriterium erfordert,
daß für jeden Zyklus
der Sinuswelle etwa zwei Punkte gemessen werden. Die der Fourier-Transformierten
inhärente Rechenlast
der Messungen liegt in der Größenordnung
NlogN, wobei N die Anzahl von Abtastwerten in jedem Paket ist. Daher
ist es vorteilhaft, die Anzahl von Abtastwerten zu verringern. Eine
große
Anzahl von Abtastwerten kann die Geschwindigkeit, mit der Messungen
durchgeführt
werden können,
begrenzen und/oder die Kosten der Rechenmaschine, die bei jedem
Instrument enthalten sein muß,
beträchtlich
erhöhen.
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Die
Erfindung vermeidet eine hohe Rechenlast, indem sie die Beobachtung
nutzt, daß der
Eingangssignalverlauf als sinusförmiger
Konstantfrequenzträger
betrachtet werden kann, der durch die Pakethüllkurve moduliert wird. Dies
verringert die effektive Frequenz, die abgetastet werden muß, auf die der
Pakethüllkurve
statt auf die Hochfrequenz des zugrundeliegenden Trägers. Folglich
kann das System unter Verwendung einer geringen Anzahl von Abtastwerten über die
Pakethüllkurve
genaue Verschiebungsmessungen erhalten.
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Obwohl
die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
einen aus einem Interferometer aufgebauten optischen Autokorrelator
verwenden, sollte man beachten, daß derselbe Ausgang erhalten
werden kann, indem die Fourier-Transformierte des Ausgangs eines
optischen Spektralanalysators genommen wird. Ein optischer Spektralanalysator
erfordert keinerlei bewegliche Teile und weist daher bei vielen Anwendungen
Vorteile auf.