DE69922109T2

DE69922109T2 - Interferometrische Vorrichtung zum Sichtbarmachung von Optischen Reflexion- und/oder Transmissionscharakteristiken im inneren eines Objektes

Info

Publication number: DE69922109T2
Application number: DE69922109T
Authority: DE
Inventors: Peter Seitz; Stephane Bourquin; Rene-Paul Salathe
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2019-09-11
Also published as: EP0985902B1; FR2783323A1; DE69922109D1; US6268921B1; FR2783323B1; EP0985902A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Bilderfassung durch optische Tomografie, durch die Bilder gewonnen werden können, die durch die Intensität der Lichtstrahlen gebildet werden, die von einem zu untersuchenden Objekt kommen, wobei diese Intensität von der Tiefe darin abhängt. Diese optische Intensität kann entweder durch Reflexion der Strahlen auf oder in dem Objekt oder durch den Durchgang von Licht durch dieses Objekt gewonnen werden.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung den Bereich der sogenannten Interferometrie niedrigerer Kohärenz und nutzt das Prinzip des Michelson-Interferometers.
1 der zugehörigen Zeichnungen zeigt ein derartiges Interferometer. Es umfasst eine Lichtquelle S mit breitem Spektralband, das daher eine geringe Kohärenzlänge aufweist. Der Strahl, der von dieser Quelle kommt, wird auf einen Strahlseparator SF geleitet, der den Strahl der Quelle in einen Strahl teilt, der ein zu untersuchendes Objekt O beleuchtet und in einen Strahl, der auf einen sogenannten Referenzspiegel M auftrifft.
Im Fall dieser Figur werden der Strahl, der auf das Objekt O auftrifft und der Strahl, der auf den Spiegel M auftrifft, jeweils reflektiert und über den Separator SF geführt, um sich zu rekombinieren und einen Fotoaufnehmer PC zu beleuchten. Dadurch überlagern sich die reflektierten Strahlen konstruktiv und destruktiv und bilden einen Interferenzstreifen, insofern der Unterschied der zurückgelegten optischen Wege kleiner als die Kohärenzlänge der Quelle ist.
Mit dieser interferometrischen Vorrichtung kann so zum Beispiel ein Hinweis auf die Beschaffenheit der Oberfläche des Objekts gewonnen werden. Trotzdem kann, wie beschrieben wurde, mit diesem Interferometer keine tomografische Information von dem Objekt gewonnen werden, das heißt keine Information, die auf die Reflexion zurückzuführen ist, die von mehreren Punkten im Inneren des Objekts ausgeht, die in der Tiefe liegen.
Aus der Patentschrift WO 95/24621 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der ein Interferenzbild gebildet werden kann, um eine Untersuchung des Spektrums einer Lichtquelle zu erhalten. Diese Vorrichtung umfasst in einer bestimmten Ausführungsform ein Michelson-Interferometer, das einen Spiegel mit Stufen aufweist, wobei dieser Spiegel den Strahl, der von der Lichtquelle ausgeht, in eine Folge von Strahlen zerlegt, die jeweils eine unterschiedliche Bahnlänge aufweisen, wobei jeder dieser Strahlen auf einer anderen Nachweiseinrichtung empfangen wird. Dieses Interferometer umfasst außerdem einen einfachen Planspiegel, der dazu dient, das Licht rückzustrahlen, das in einen seiner Arme gebracht wurde. Jedoch wird in der Patentschrift nicht offenbart, wie mithilfe eines derartigen Interferometers die optischen Lichtdurchlässigkeits- und/oder Reflexionseigenschaften eines Objekts untersucht werden können.
In der US-Patentschrift 4,309,109 ist eine Vorrichtung offenbart, mit der mithilfe eines Michelson-Interferometers der Abstand gemessen werden kann, der sich zwischen zwei optisch wirksamen Flächen befindet, mit der jedoch auch keine tomografischen Angaben aus dem Inneren eines Objekts geliefert werden können.
Um eine solche Tiefeninformation zu gewinnen, ist noch die Durchführung einer Tiefenabtastung bekannt (siehe hierzu zum Beispiel den Beitrag von E.A. Swanson et al. in der Zeitschrift OPTICS LETTERS/Vol. 18, No. 21/November 1, 1993). In diesem Fall ist das Interferometer mit Lichtleitfasern und Kopplern ausgeführt, wodurch sich das Messprinzip nicht grundlegend verändert. Um jedoch Angaben aus verschiedenen Tiefen des Objekts zu gewinnen, werden aufeinander folgende Messungen durchgeführt, bei denen jedes Mal die Stellung des Referenzspiegels so geändert wird, dass die optische Weglänge in dem Arm der Vorrichtung verändert wird, der diesen Spiegel enthält (im Folgenden Referenzarm genannt). In 1 ist diese Bewegung durch den Pfeil B dargestellt.
Somit wird ein Interferenzkurvenbild gewonnen, wie in 2 dargestellt, wenn das Objekt O einer Grenzfläche entspricht, wobei die Lichtstärke I, die auf den Fotoaufnehmer PC auftrifft, auf der Ordinate abgetragen ist und die Lage des Referenzspiegels M in Längsrichtung auf der Abszisse (laut Vereinbarung Z-Lage genannt, die auch die Lage des Objektpunkts im Inneren ausdrückt, der Ursache des betrachteten Interferenzstreifen ist). Es ist festzuhalten, dass die Auflösung der Messung von der Kohärenzlänge der Quelle S abhängt, die durch den Pfeil L_C angegeben ist.
Ein derartiges Messverfahren durch Abtasten, das mehrere zeitlich getrennte Messungen beinhaltet, weist einige Nachteile auf, denn abgesehen von der Tatsache, dass die Messung notwendigerweise recht lang ist, wirkt es sich sehr störend darauf aus, wenn das Objekt Bewegungen erfährt. Dies kann zum Beispiel im medizinischen Bereich der Fall sein, der sich als besonders viel versprechendes Anwen dungsgebiet erwiesen hat, und insbesondere, wenn Messungen an bestimmten Bestandteilen des Auges, wie der Hornhaut oder der Netzhaut, durchgeführt werden. Darüber hinaus muss zum Verstellen des Spiegels ein mechanisches Element verwendet werden, das sich bewegt, wodurch es zu Schwingungen und unter Umständen im Laufe der Zeit zu einem Leistungsrückgang kommen kann.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Messung nur Punkte berücksichtigt, die alle auf einer Achse angeordnet sind, die ins Innere verläuft und die die Richtung des Lichtstrahls definiert, der von dem Objekt rückgestrahlt wird (Tiefenreflexionsprofil).
Um also das Bild einer Scheibe im Inneren eines Objekts zu gewinnen, müssen nacheinander Messreihen wie zuvor beschrieben durchgeführt werden, die als eindimensional bezeichnet werden können, aber seitlich zueinander versetzt sind, um Gruppen von Intensitätswerten zu erhalten, die anschließend verarbeitet werden müssen, um diese eindimensionalen Messreihen in ein zweidimensionales Ergebnis umzuwandeln, das kennzeichnend für das Profil einer Scheibe des Objekts ist. Es ist eindeutig, dass dieses Verfahren die Nachteile der eindimensionalen Messung bezüglich Messdauer und Empfindlichkeit gegenüber Bewegungen des Objekts verschlechtert.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung der Art bereitzustellen, wie zuvor kurz beschrieben, mit der unmittelbar alle Ergebnisse der Messung gewonnen werden können, die auf eine Anordnung von Punkten im Inneren gerichtet ist, auf eine Scheibe im Inneren des Objekts, sogar auf einen dreidimensionalen Teil davon.
Die Erfindung betrifft daher eine interferometrische Vorrichtung zum Aufnehmen der optischen Reflexions- und/oder Transmissionscharakteristiken im Inneren eines Objekts durch Interferometrie, mit:

– einer Lichtquelle, die auf einem vorgegebenen Spektralband beidseitig zu einer Nennwellenlänge emittiert und das Objekt beleuchtet, um einen von diesem kommenden Objektstrahl zu erzeugen,
– Referenzmitteln, die ebenfalls der Lichtquelle ausgesetzt sind, um einen Referenzstrahl zu erzeugen,
– Mitteln, um die Objekt- und Referenzstrahlen zur Interferenz zu bringen; und
– Fotoaufnehmermitteln, die so angeordnet sind, dass sie das Licht aufgrund der Interferenz des Objektstrahls und des Referenzstrahls empfangen, und Analysemitteln (MA) zum Auswerten der von den Fotoaufnehmermitteln gelieferten Signale,

Aus diesen Eigenschaften ergibt sich, dass bei einer eindimensionalen Messung die Fotoaufnehmer gemeinsam unmittelbar alle Angaben über die Stärke der Interferenzstreifen liefern, die aus den unterschiedlichen Tiefen des Objekts stammen oder anders ausgedrückt kann durch eine elektronische Analyse der Ausgangssignale der Fotoaufnehmer ein Kurvenbild der Art wie in 2 erstellt werden und zwar ohne die Referenzmittel auf irgendeine Art zu beteiligen.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung deutlich, die lediglich als Beispiel dienen soll und mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen erfolgt, von denen:
1, bereits beschrieben, eine vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen Michelson-Interferometers ist, das für die optische Tomografie verwendet werden kann;
2, ebenfalls bereits beschrieben, ein Kurvenbild zeigt, das die Wirkungsweise des herkömmlichen Interferometers aus 1 zeigt;
3 eine vereinfachte Darstellung ist, in der die Bestandteile gezeigt sind, die ein erfindungsgemäßes eindimensionales tomografisches Interferometer bilden;
3A eine vereinfachte Darstellung ist, in der die Wege der Strahlen gezeigt sind, die vom Objekt O und den Referenzmitteln M in dem Interferometer aus 3 rückgestrahlt werden;
3B eine vereinfachte Darstellung ist, die der aus 3A entspricht, die jedoch die Beleuchtung des Objekts O und der Referenzmittel M durch die Quelle S zeigt;
4 eine vereinfachte perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen tomografischen Interferometers ist, mit dem zweidimensionale Messungen durchgeführt werden können, um optische Angaben zu einer „Scheibe" des Objekts zu gewinnen;
die 4A und 4B vereinfacht zwei mögliche Abwandlungen der Ausführung der Lichtquelle zeigen;
die 5A und 5B vereinfachte Ansichten von 4 in der Vorderansicht beziehungsweise Draufsicht sind und gemäß einer Darstellung, in der die betreffenden Achsen zueinander ausgerichtet sind, die lediglich zur Verdeutlichung des Aufbaus der Vorrichtung, des Mess- und des Quellarms der erfindungsgemäßen interferometrischen Vorrichtung dient, um die Wege der Lichtstrahlen in diesen Armen herauszustellen;
die 6A und 6B vereinfachte Ansichten sind, die denen der 5A und 5B entsprechen und den Referenzarm und den Quellarm zueinander ausgerichtet zeigen;
die 7A und 7B Ansichten sind, die den vorhergehenden entsprechen und den Messarm und den Detektionsarm in Reihe zeigen;
die 8A und 8B Ansichten sind, die den vorhergehenden entsprechen, die jedoch den Referenzarm ausgerichtet mit dem Detektionsarm zeigen;
9 eine vereinfachte Darstellung eines Beispiels der Anordnung der Fotoaufnehmermittel ist, die zum Ausführen einer erfindungsgemäßen dreidimensionalen interferometrischen Vorrichtung verwendet werden;
die 10A bis 10F mehrere mögliche Abwandlungen der Referenzmittel der erfindungsgemäßen interferometrischen Vorrichtung zeigen;
11 eine vereinfachte Darstellung des Prinzips einer interferometrischen Vorrichtung zeigt, die mit Transmission arbeitet und
12 ein Kurvenbild der Intensität I in Abhängigkeit von der Tiefe in einem Objekt ist, um ein besonderes Untersuchungsverfahren zu veranschaulichen, das für die Anwendung der erfindungsgemäßen interferometrischen Vorrichtung eingesetzt werden kann.
Im Folgenden wird Bezug genommen auf die 3, 3A und 3B, die ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen interferometrischen Systems darstellen, mit dem die Reflexionscharakteristiken im Inneren eines Objekts O aufgenommen werden können. Bei diesem Beispiel wird das System als eindimensional bezeichnet, weil damit nur Messdaten auf einer einzigen Achse Z aufgenommen werden können, von der angenommen wird, dass sie das Objekt durchquert. Das heißt, dass bei dem Beispiel die Messdaten an fünf Punkten z0 bis z4 aufgenommen werden, wobei der Punkt z0 zum Beispiel auf der Vorderseite liegt und der Punkt z4 auf der Rückseite des Objekts. Die dazwischen liegenden Punkte z1, z2 und z3 können kennzeichnend für andere Bereiche des Objekts sein, in denen die Reflexionseigenschaften zum Beispiel Aufschluss über seine Struktureigenschaften geben können. Die Aufstellung der durchgeführten Messungen kann somit dem Beobachter Aufschluss über die kennzeichnenden Eigenschaften des Objekts geben.
Die Anzahl der Messpunkte dient nur als Anhaltspunkt, denn das System kann gleichzeitig viel mehr Punkte mit einem Mal aufnehmen, zum Beispiel die Punkte z0 bis zn. Die Anzahl fünf wurde daher lediglich gewählt, um die Zeichnungen zu vereinfachen.
Die interferometrische Vorrichtung weist ebenfalls eine Lichtquelle S mit breitem Spektralband und daher geringer Kohärenzlänge auf. Zum Beispiel umfasst diese Quelle SC eine Superlumineszenzdiode, die mit einer Wellenlänge von 850 nm mit einer Bandbreite von 20 nm emittiert. Die Quelle kann ebenfalls eine Einmodenfaser 850 nm umfassen (nicht dargestellt), um sicherzustellen, dass der Strahl in einem einzigen Modus ausgestrahlt wird.
Die Vorrichtung umfasst ebenfalls einen Strahlseparator SF, Referenzmittel M und Fotoaufnehmermittel PC. Diese Bestandteile sind genauso angeordnet wie in 1, gemäß der interferometrischen Anordnung nach Michelson.
Zur Erleichterung der Beschreibung heißt

– der Teil der Vorrichtung, der zwischen dem Separator SF und dem Objekt O verläuft, „Messarm BM";
– der Teil, der zwischen dem Separator SF und den Referenzmitteln M liegt, „Referenzarm BR";
– der Teil, der zwischen dem Separator SF und der Quelle S liegt, „Quellarm BS"; und
– der Teil, der zwischen dem Separator SF und den Fotoaufnehmermitteln PC liegt, „Detektionsarm BD".

Die Arme BM und BD sind auf der Z-Achse ausgerichtet und die Arme BR und BS sind auf einer Y-Achse ausgerichtet, die senkrecht zur Z-Achse und in derselben Ebene wie sie liegt (die als Ebene der Zeichnung aus 3 angenommen wird). Die Achsen Y und Z kreuzen sich im Mittelpunkt OC des Systems. Eine X-Achse ist senkrecht zu dieser Ebene bestimmt.
Erfindungsgemäß umfassen die Referenzmittel M einen Spiegel, der eine Vielzahl von Elementarspiegeln M0 bis M4 aufweist, hier fünf, die auf einem einzelnen optischen Block angeordnet sind, der Stufen aufweist, deren wirksame Flächen senkrecht zur Y-Achse und parallel zur X-Achse angeordnet sind. Im Allgemeinen umfassen die Referenzmittel M so viele Stufen wie Messpunkte, die auf der Z-Achse im Objekt O gewonnen werden sollen. Die Stufen bestimmen somit im Referenzarm BR genauso viele elementare Referenzstrahlen FR0 bis FR4, wobei deren Bahnlängen unterschiedlich sind.
Erfindungsgemäß umfassen die Fotoaufnehmermittel PC eine Reihe von Fotoaufnehmerelementen PC0 bis PC4, hier ebenfalls fünf, wobei die Anzahl von der Anzahl der Messpunkte abhängt, die im Inneren des Objekts O definiert werden sollen. Es ist festzuhalten, dass die Fotoaufnehmerelemente PC0 bis PC4 nebeneinander in ihrer Reihe parallel zur Y-Achse angeordnet sind.
Darüber hinaus umfasst das interferometrische System ebenfalls erfindungsgemäß eine Gruppe von Linsen L1 bis L4 (siehe insbesondere 3A und 3B).
Eine erste Linse L1 ist ein Kollimator und im Quellarm BS vorgesehen. Sie ist vor der Quelle S angeordnet und soll mithilfe der Linse L3 ein Bild davon auf der Vorderseite des Objekts O und mithilfe der Linse L2 auf allen Stufen M0 bis M4 der Referenzmittel M bilden. Der Abstand zwischen der Linse L1 und der Quelle S ist vorzugsweise kleiner als ihre Brennweite, um den Lichtpunkt auf dem Objekt O und auf den Referenzmitteln M zu defokussieren, mit dem Ziel, das Objekt O und alle Referenzmittel M zu beleuchten.
Weiterhin bilden die Linsen L2, L3 und L4 zusammen mit dem Separator SF optische Rekombinationsmittel. Sie sind so festgelegt, dass gleichzeitig jedes Fotoaufnehmerelement PC0 bis PC4 Licht von einer Lage (xi, yi) des Objekts O über den Objektstrahl FO empfängt und dass darüber hinaus jedes Fotoaufnehmerelement PC0 bis PC4 Licht nur von einer einzigen Stufe M0 bis M4 der Referenzmittel M empfängt. Anders ausgedrückt wirft das Paar Linsen L2, L4, die im Referenzarm BR beziehungsweise im Detektionsarm BD liegen, ein Bild der Referenzmittel M auf die Fotoaufnehmerelemente PC0 bis PC4 im Verhältnis von einer Stufe je Fotoaufnehmerelement. Das Paar Linsen L3, L4, die im Messarm BM beziehungsweise im Detektionsarm BD liegen, wirft seinerseits ein Bild des Objekts O auf alle Fotoaufnehmer PC0 bis PC4. Die Brennweiten der Linsen L3 und L4 werden vorzugsweise so gewählt, dass f3 « f4, wodurch eine günstige Auflösung in Richtung der X-Achse und Y-Achse erreicht werden kann. Die so gerichteten elementaren Referenzstrahlen FR0 bis FR4 und der Strahl FO überlagern sich und bilden so ein Interferenzbild, das die Fotoaufnehmer (PC0 bis PC4) empfangen.
Wie dieses Ergebnis erreicht werden kann, ist für den Fachmann eindeutig, der nach diesen Regeln die Eigenschaften der zu verwendenden Linsen festzulegen weiß. Um genauer zu sein, können die Linsen L1 bis L4 sphärische, vorzugsweise achromatische Linsen sein.
Es ist festzuhalten, dass gemäß einer Abwandlung die Linsen durch geeignete Lichtleiter ersetzt werden könnten.
Mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen interferometrischen System kann mit einer einzigen Reihe von Fotoaufnehmerelementen durch eine einzige unmittelbare Messung eine Information je Punkt im Inneren des Objekts (Punkt z0 bis z4) im Verhältnis von einer Information je Fotoaufnehmerelement gewonnen werden. Die Signale, die auf den Fotoaufnehmerelementen P0 bis P4 aufgenommen werden, können durch Verarbeitung in der Auswertevorrichtung MA ausgewertet werden, in Abhängigkeit von den Ergebnissen, die schließlich gewonnen werden sollen, wobei einige Arten der Verarbeitung im Folgenden beschrieben sind.
4 zeigt eine Skizze eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem das interferometrische System zweidimensionaler Art ist. Im Rahmen der Erfindung bedeutet das, dass es optische Daten liefern kann, die sich nicht nur auf Objektpunkte im Inneren (entlang der Z-Achse) beziehen, sondern auch auf Punkte in einer weiteren Richtung, die im dargestellten Beispiel die X-Richtung ist. Anders ausgedrückt wird es möglich, Daten von einer „Scheibe" des Objekts aufzunehmen, die in 4 durch Schrägstriche angezeigt ist, um die optischen Daten in einem Profil herauszuarbeiten.
Das Messsystem aus 4 unterscheidet sich im Wesentlichen in drei Punkten von dem aus 3 (wieder so zu verstehen, dass zur Vereinfachung die Anzahl der aufgenommenen Punkte auf fünf in der Tiefe und auf fünf in X-Richtung beschränkt wurde):

– die Referenzmittel M verlaufen in Richtung der X-Achse über so eine Höhe, dass die elementaren Referenzstrahlen, die von den Stufen M0 bis M4 kommen, auf die fünf X-Bereiche der Fotoaufnehmermittel PC gelenkt werden können;
– die Fotoaufnehmermittel PC umfassen eine Matrix aus Fotoaufnehmerelementen, die sich in X- und Y-Richtung erstrecken (hier selbstverständlich im Verhältnis von fünf Elementen je Richtung);
– die Rekombinationsmittel umfassen, anstelle der Linse L3 aus 3, zwei verschiedene zylindrische Linsen L3' und L3'', deren Achsen parallel zur X-Richtung beziehungsweise zur Y-Richtung verlaufen. Die konvexen Flächen dieser Linsen L3' und L3'' sind dem Separator SF zugewandt. Wie bei 3 werden die Brennweiten L3' und L4 vorzugsweise so gewählt, dass f3' « f4, wodurch eine günstige Auflösung in Y-Richtung erreicht werden kann.

Mit den 5A bis 8B können mit einer ausgerichteten Darstellung die Arme der interferometrischen Vorrichtung in der Vorderansicht beziehungsweise in Draufsicht gemäß 4 untersucht werden. In den Figuren sind die Brennweiten der Linsen L1 bis L4 und ihre allgemeine Form gezeigt sowie der allgemeine Strahlenverlauf. Was die 7A bis 8B betrifft, sind nur einige Strahlen gezeigt, um die Figuren nicht zu sehr zu überladen. Diese Figuren zeigen ebenfalls, dass eine Membran D in den Detektionsarm BD neben dem Separator SF angeordnet sein kann. Die Öffnung dieser Membran ist so gewählt, dass der Lichtpunkt, der auf der Oberfläche eines Fotoaufnehmers auftrifft, im Inneren eines einzigen Beugungskegel bleibt. Diese Bedingung gewährleistet einen bestmöglichen Nachweis der Interferenzstreifen. Eine derartige Membran kann wie dargestellt ebenfalls im Interferometer aus 3 verwendet werden.
In den 5A bis 8B befinden sich ebenfalls Markierungen, die die Objektpunkte und die Fotoaufnehmer kennzeichnen, die der Kennzeichnung der Stufen Z0 bis Z4 der Referenzmittel M entsprechen.
Es ist ebenfalls festzuhalten, dass die Anzahl der Messpunkte im Inneren sehr viel höher als fünf sein kann (von z0 bis zn), ebenso wie die Anzahl der Punkte in der Höhe in X-Richtung (von x0 bis xm).
9 ist eine vereinfachte Darstellung eines Beispiels der Anordnung der Fotoaufnehmermittel PC, die dem Separator SF zugewandt sind, gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung. Gemäß einem besonders vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist es möglich, die zweidimensionale interferometrische Vorrichtung zu einer dreidimensionalen Vorrichtung zu erweitern, die zwei äußerst einfache zusätzliche Vorrichtungen miteinander verbindet. Einerseits ist hier anstelle einer einzigen Matrix aus x0z0 bis xmzn Fotoaufnehmerelementen eine Vielzahl von Matrizen vorgesehen, die durch die Bezugszeichen y0 bis yp gekennzeichnet sind, und diese Matrizen sind nebeneinander auf der Y-Achse der Vorrichtung angeordnet. Andererseits ist eine Vielzahl von Referenzmitteln vorgesehen, die nebeneinander auf der Z-Achse der Vorrichtung angeordnet sind. Unter diesen Bedingungen empfängt jede der Matrizen von Fotoaufnehmerelementen das Bild einer Reflexionsebene des Objekts, wobei die Ebenen parallel hintereinander entlang der Z-Achse angeordnet sind. Damit können auf den Fotoaufnehmermitteln PC optische Daten aus dem Rauminhalt des Objekts aufgenommen werden und zwar unmittelbar, ohne dass eine mechanische, lang andauernde Verarbeitung notwendig wäre. Die Messdauer wird nur durch die Schnelligkeit der elektronischen Analysemittel MA bestimmt. Jedoch können diese ohne große Schwierigkeiten Speichermittel umfassen, um die Daten aufzuzeichnen, die die Fotoaufnehmermittel PC liefern, bevor eine elektronische Analyse durchgeführt wird. Es ist daher nicht so wichtig, ob das Objekt Bewegungen erfährt, da die Erfassungszeit der Fotoaufnehmermittel und die Speicherung nahezu gleichzeitig ablaufen. Das gilt im Übrigen genauso für die eindimensionale und zweidimensionale Ausführungsform.
In 10A ist eine erste mögliche Ausgestaltung der Referenzmittel M gezeigt, bei der diese durch eine Vielzahl von übereinander liegenden und versetzten Spiegeln 1a bis 1n gebildet sind, wobei der Abstand Δz zwischen zwei benachbarten messbaren Punkten in der Tiefe durch die Dicke h1 der Elementarspiegel 1a bis 1n bestimmt ist.
In 10B ist eine zweite mögliche Ausgestaltung gezeigt, bei der die Referenzmittel M ein Beugungsgitter 2 umfassen (in der englischsprachigen Literatur „blazed grating" genannt), dessen Winkel γ1 den Winkel („blazed angle") beschreibt und dessen Abmessung h2 der Aussparungen 2a bis 2n den Abstand Δz beschreibt, der der optische Weg zwischen zwei benachbarten messbaren Punkten in der Tiefe des Objekts O ist.
Gemäß 10C umfassen die Referenzmittel eine Matrix 3 von pyramidenförmigen Retroreflektoren 3a bis 3n (in der englischsprachigen Literatur „corner cubes" genannt) mit rechteckiger Grundfläche. Der Winkel γ2 beschreibt die Neigung der Ebene der Grundflächen der Retroreflektoren im Verhältnis zur Richtung, die senkrecht zu den Elementarstrahlen verläuft. Die Abmessung h3 bezeichnet den Abstand Δz.
10D zeigt eine weitere Ausgestaltung, nach der die Referenzmittel ausgeführt sein können. In diesem Fall ist ein Block 4 in einer durchsichtigen Umgebung an seiner Rückseite als „Treppe" 15 geformt, wobei sich reflektierende Schichten, die der Seite zugewandt sind, die dem Block 4 gegenüberliegt, auf den Stufen 4a bis 4n befinden, die somit entstehen. Diese Stufen bilden aus dem Licht, das von der Quelle S kommt, genauso viele elementare Referenzstrahlen. Der Abstand wird hier durch das Verhältnis Δ_z = h4|n – n₀| gewonnen, wobei h4 die Höhe einer Stufe ist, n die Brechzahl der Umgebung des Blocks 4 und n₀ die Brechzahl der Umgebung ist, in der sich die interferometrische Vorrichtung befindet. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass damit durch die Wahl eines Werkstoffs mit einer Brechzahl n, die nahe der des Objekts O liegt, der Verlust der Auflösung aufgrund der Lichtstreuung im Referenzarm und Messarm des Interferometers verringert werden kann.
Bei der Ausgestaltung aus 10E wird die Form aus 10B wieder aufgenommen. Sie umfasst einen Block 5, dessen Stufen mit reflektierenden Schichten 5a bis 5n versehen sind. Die Reflexionskoeffizienten Ra bis Rn dieser Schichten sind in Abhängigkeit von der örtlichen Beschaffenheit der Punkte im Inneren des zu untersuchenden Objekts gewählt. Ein Anwendungsbeispiel derartiger Referenzmittel findet sich beispielsweise bei der Tiefenuntersuchung des Auges, dessen Netzhaut und Hornhaut sehr unähnliche Reflexionskoeffizienten aufweisen, wobei die Unterschiede mit den Referenzmitteln ausgeglichen werden können, indem festgelegte Reflexionskoeffizienten für die Schichten gewählt werden.
10F zeigt eine Ausgestaltung der Referenzmittel, die mit Lichtdurchlässigkeit arbeiten. In diesem Fall ist ein Block 6 in einer durchsichtigen Umgebung als Treppe geformt, um die Stufen 6a bis 6n zu bilden. Dieser Block ist in einer Reihe mit der Quelle S angeordnet und hinter seiner gegenüberliegenden Seite ist eine ebene reflektierende Fläche 7 angeordnet. In diesem Fall entspricht der Tiefenabstand Δz dem Abstand der Ausgestaltung aus 10D.
Der Block 6 kann auch in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen interferometrischen Vorrichtung verwendet werden, bei der die Lichtstrahlen durch die Referenzmittel M und das Objekt hindurchgehen. Eine Ausgestaltung einer solchen Vorrichtung ist in 11 dargestellt, die keiner weiteren Erläuterungen bedarf, außer dass die gewonnenen Ergebnisse den mit Bezug auf die 3, 4 beziehungsweise 9 beschriebenen ähneln. Es handelt sich hier um bei Fachleuten allgemein bekannte Mach-Zehnder-Interferometer. Es umfasst zwei Strahlseparatoren SF1 und SF2 und zwei Spiegel M1 und M2.
Der Abstand Δz, der einem Interferenzstreifen entspricht, ist mit der Wellenlänge der Quelle verbunden und beträgt λ/2.
Die Nutzinformation in dem Signal, das die Fotoaufnehmerelemente empfangen, ist der Höchstwert der Intensität eines Interferenzstreifens. 12 veranschaulicht eine unmittelbare Analyse der gewonnenen Signale, die durch die Analysemittel MA durchgeführt werden kann. Es sollte festgehalten werden, dass es sein kann, dass ein derartiger Höchstwert bei der Messung nicht mit einem Fotoempfängerelement der Matrix zusammentrifft. Jedoch kann, indem eine Anzahl von Aufnehmerelementen je Streifen größer als 1 vorgesehen wird, durch Berechnung eine Interpolation zum Beispiel über drei Punkte erfolgen. Damit ist es möglich, die Amplitude eines gegebenen Interferenzstreifens zu berechnen und somit die maximale optische Intensität, die vom Objekt O in einer Tiefe rückgestrahlt wird, zu bestimmen, von der keine Messdaten genommen wurden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist seine Einfachheit, jedoch werden viele Fotoaufnehmerelemente benötigt.
Durch ein differentielles Verfahren können davon weniger verwendet werden. Um dieses Verfahren umzusetzen, sollte ein Phasenschieber oder Phasenmodulator entweder im Messarm BM oder im Referenzarm BR vorgesehen werden. Dieser Phasenschieber oder Phasenmodulator kann zum Beispiel eine Flüssigkristallzelle sein, die durch elektrische Spannung gesteuert ist. Sie ist in 4 vereinfacht durch Striche unter DPH dargestellt, kann jedoch auch im Interferometer aus 3 vorgesehen sein.
Es muss in zwei Schritten gearbeitet werden. Ein Bild wird auf der Matrix aus Fotoaufnehmerelementen PC erfasst. Anschließend wird eine Phasenverschiebung erzeugt, indem eine elektrische Spannung an den Phasenschieber oder Phasenmodulator DPH angelegt wird. Ein neues Bild wird auf der Matrix aus Fotoaufnehmerelementen PC erfasst. Dann erfolgt durch die Analysemittel MA eine gezielte Subtraktion der gewonnenen Signale anhand der beiden aufeinanderfolgenden Bilder.
Daraus folgt, dass die Analysemittel ein von Null verschiedenes Signal nur an den Stellen Z liefern, bei denen Interferenz vorliegt. Mit diesem Verfahren können die Interferenzstreifen sichtbar gemacht werden, jedoch kann nicht unbedingt der Höchstwert der Intensität eines Streifens gewonnen werden.
Um sicherzugehen, dass mindestens ein Interferenzstreifen beobachtet wird, muss der Unterschied zwischen der optischen Länge während der ersten Messung und der, die durch die Phasenverschiebung entsteht, abweichend von einem Vielfachen von 2π gewählt werden. Durch dieses Verfahren sind nur 2 bis 3 Nachweiseinrichtungen je Gruppe von Interferenzstreifen nötig, wobei gilt, dass die Länge (räumliche Ausbreitung) einer Gruppe von Streifen durch die Kohärenzlänge L_C der Quelle S bestimmt wird. Jedoch sind zwei aufeinander folgende Messungen notwendig, sehr kurz hintereinander.
Die Amplitude eines Interferenzstreifens kann auch durch Zeitprojektion erfasst werden. Es ist ebenfalls der Phasenschieber oder Phasenmodulator DPH vorgesehen, entweder im Referenzarm BR oder im Messarm BM. Für jeden Messfühler werden drei Lichtstärken I₁, I₂ und I₃ erfasst, die drei verschiedenen, aufeinander folgenden Phasenverschiebungen entsprechen, zum Beispiel bei 0°, bei 120° und bei 240°. Der Wert der Phase wird im Verhältnis zur mittleren Wellenlänge der Quelle S genommen. Die Intensität, die ein gegebenes Fotoaufnehmerelement erreicht, ist gegeben durch I_i(Φ) = I_moy + I_ocos(Φ + Φ₀), wobei Φ₀ eine Konstante ist, die von allen Phasenverschiebungen abhängt, die die Elemente der Vorrichtung einbringen, I_moy = (1/3)Σ_i(I_i) das arithmetische Mittel der Intensitäten ist und I₀ die Amplitude des Interferenzstreifens ist. Diese ist gegeben durch I₀ = [Σ_i(I_i – I_moy)²]^1/2.
Die drei Analyseverfahren, die gerade angeführt wurden, haben den Vorteil, dass Matrizen von Standardfotoaufnehmern verwendet werden können, wie einer CCD-Kamera, aktive APS-Matrizen usw.
Der Phasenschieber oder Phasenmodulator DPH kann verwendet werden, um die Phase des Lichts entweder im Messarm oder im Referenzarm periodisch, zum Beispiel sinusförmig, zu modulieren. In Verbindung mit Fotoaufnehmern, durch die eine Synchronisation mit der Modulationsfrequenz möglich ist (Lock-In-Verfahren), kann eine überlagerte Detektion ausgeführt werden, wodurch der Rauschpegel bis zum Schrotrauschen (shot noise) verringert und dadurch die Leistung der Vorrichtung erheblich verbessert werden kann. In diesem Fall sind die Analysemittel vorteilhaft nach dem Verfahren ausgeführt, das in dem Beitrag von Swanson et al. beschrieben ist, der in „Optics Letters" vom 15. Jan. 1992, Vol. 17, no. 2 erschienen ist.
Die Quelle S kann, wie bisher beschrieben, eine einzelne sein. Jedoch ist es ebenfalls möglich, eine Reihe von Quellen, sogar eine Matrix, zu verwenden. Daraus ergibt sich, dass mehr Lichtenergie je Fotoaufnehmerelement zur Verfügung steht, wodurch ein besseres Signal/Rausch-Verhältnis erreicht werden kann.
Im Fall einer Spalte von m Quellen (dargestellt in 4A, wenn m=5), beleuchtet jeder Strahl eine Position entlang der X-Achse der Probe und beleuchtet alle Elementarspiegel z0 bis zn der Referenzmittel. Jeder Strahl des Messarms BM wird mit seiner Reihe von Strahlen des Referenzarms BR rekombiniert.
Ist eine Matrix aus m×n Quellen vorgesehen (an der Rückseite dargestellt in 4B, wenn m und n=5), beleuchtet jede Reihe von n Strahlen der Quelle eine Position entlang der X-Achse des Objekts O und beleuchtet alle Positionen z0 bis zn (Z-Achse) der Referenzmittel, im Verhältnis von einer Elementarquelle je Position. Jeder Strahl des Messarms BM wird mit seinem zugehörigen Referenzstrahl rekombiniert.
Geeignete Lichtquellen sind Kantenemitter-LEDs, Laserdioden, Stapel von Laserdiodenmatrizen oder Vertical-Cavity-Laserdioden oder -matrizen. Leuchtdioden oder andere Quellen, die nicht kohärentes Licht aussenden (Wolframfaden), können mit kreisförmigen oder rechteckigen Membranen ebenfalls verwendet werden.

Claims

Interferometrische Vorrichtung zum Aufnehmen der optischen Reflexions- und/oder Transmissionscharakteristiken im Inneren eines Objektes durch Interferometrie, mit – einer Lichtquelle (S), die auf einem vorgegebenes Spektralband beidseitig zu einer Nennwellenlänge emittiert und das Objekt (O) beleuchtet, um einen von diesem kommenden Objektstrahl (FO) zu erzeugen, – Referenzmitteln (M), die ebenfalls der Lichtquelle (S) ausgesetzt sind, um einen Referenzlichtstrahl (FR0 bis FR4) zu erzeugen, – Mitteln (SF), um die Objekt- (FO) und Referenz- (FR0 bis FR4) Strahlen zur Interferenz zu bringen, – Fotoaufnehmermittel (PC), die so angeordnet sind, dass sie das Licht aufgrund der Interferenz des Objektstrahls (FO) und des Referenzstrahls (FR0 bis FR4) empfangen, und – Analysemitteln (MA) zum Auswerten der von den Fotoaufnehmermitteln (PC) gelieferten Signale, – wobei die Referenzmittel (M) so angeordnet sind, dass sie den Referenzstrahl in eine Anzahl elementarer Referenzstrahlen (FR0 bis FR4), die jeweils eine unterschiedliche Bahnlänge haben, zerlegen, – wobei die Fotoaufnehmermittel (PC) eine Anzahl Fotoaufnehmerelemente (PC0 bis PC4; x0z0 bis xmzn) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die interferometrische Vorrichtung ferner optische Rekombinationsmittel (L2, L3, L4; L3', L3'') aufweist, um auf jeden der Fotoaufnehmerelemente (PC0 bis PC4; x0z0 bis xmzn) das Licht zu lenken, das aus der Interferenz des einen der elementaren Referenzstrahlen (F0 bis F4) und des von einer Position (xi, yi) des Objektes ausgehenden Objektstrahls (F0) resultiert, derart, dass jedes der Fotoaufnehmerelemente (PC0 bis PC4; x0z0 bis xmzn) ein Interferenzsignal auffängt, das repräsentativ für die optischen Reflexions- und/oder Transmissionscharakteristiken eines bestimmten Punktes unter Messpunkten (Z0, Z1, Z2, Z3, Z4) des Objektes ist, welche im Inneren bezüglich der besagten Position (xi, yi) ausgerichtet sind.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmittel (M) mindestens einen optischen Block aufweisen, der Stufengitter (1a bis 1n; 2a bis 2n; 4a bis 4n; 5a bis 5n) bildet, welche von einer reflektierenden Schicht überzogen sind, die gegenüber der Lichtquelle (S) angeordnet ist.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Block eine Anzahl überlagerter reflektierender Streifen (1a bis 1n) aufweist, deren Ränder versetzt sind, um die Stufengitter zu bilden.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Block in sein Material (2a bis 2n) eingearbeitete Stufengitter aufweist.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufengitter auf der der Lichtquelle (S) zugewandten Fläche des Blockes angeordnet sind.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Block transparent ist und dass die Stufengitter (4a bis 4n) an der Fläche des Blocks vorgesehen sind, die auf der Seite liegt, die zu der der Lichtquelle (S) zugewandten Seite entgegengesetzt ist.
Interferometrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflexionsgrad der reflektierenden Schichten sich von einem Stufengitter zum anderen (5a bis 5n) ändert.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmittel mindestens einen optischen Block (3) aufweisen, dessen der Lichtquelle (S) zugewandte Fläche pyramidenförmige Rauheiten (3a bis 3n) aufweist.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzmittel mindestens einen transparenten optischen Block (6) aufweisen, auf dem Stufengitter (6a bis 6n) freigelegt sind, und dass auf der dieser Fläche gegenüberliegenden Seite dieses Blockes eine reflektierende Oberfläche (7) vorgesehen ist, die der Lichtquelle (S) zugewandt ist.
Interferometrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen einer eindimensionalen Messung, die sich darauf beschränkt, eine Gruppe von im Inneren des Objektes (O) ausgerichteten Mess punkten aufzunehmen, die Fotoaufnehmerelemente (PC0 bis PC4) in einer Reihe angeordnet sind.
Interferometrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen einer zweidimensionalen Messung, die dazu bestimmt ist, eine Gruppe von Messpunkten aufzunehmen, die gleichzeitig im Inneren des Objektes (O) ausgerichtet sind und auf einer zu dieser Ausrichtung (Achse Z) senkrechten Achse (X) liegen, die Fotoaufnehmerelemente (x0z0 bis x4z4) in einer Matrix angeordnet sind.
Interferometrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen einer dreidimensionalen Messung, die dazu bestimmt ist, eine Gruppe von Messpunkten aufzunehmen, die gleichzeitig im Inneren des Objektes (O) ausgerichtet sind und auf zwei zwischen sich und dieser Ausrichtung (Z) senkrechten Achsen liegen, die Fotoaufnehmerelemente [y0(x0z0 bis xmzn) bis yp(x0z0 bis xmzn)] in mehreren Seite an Seite liegenden Matrices (y0 bis yp) angeordnet sind und die Referenzmittel gemäß einer Anzahl von Seite an Seite liegenden Referenzmitteln angeordnet sind.
Interferometrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Rekombinationsmittel eine erste Gruppe von Linsen (L2, L4) aufweisen, die zwischen dem Strahlseparator (SF) und den Fotoaufnehmermitteln (PC) einerseits und den Referenzmitteln (M) andererseits angeordnet sind, um ein Bild der Referenzmittel (M) auf die Fotoaufnehmerelemente (PC0 bis PC4; x0z0 bis xmzn) mit einem elementaren Referenzstrahl pro Fotoaufnehmerelement zu projizieren, und dass sie ferner eine zweite Gruppe von Linsen (L3, L4; L', L3 '', L4) aufweisen, die zwischen dem Strahlseparator (SF) und dem Objekt (O) einerseits und den Fotoaufnehmermitteln (PC) andererseits angeordnet sind, um ein Bild des Objektes (O) auf die Fotoaufnehmerelemente zu projizieren, und dass die vor den Fotoaufnehmermitteln (PC) jeder der ersten und zweiten Gruppe angeordneten Linsen zusammenfallen.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 13 in Abhängigkeit von Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen der ersten und zweiten Gruppe von Linsen konvergent und sphärisch sind.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 13 in Abhängigkeit von einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (L2, L4) der ersten Gruppe vom sphärischen Typ sind und dass die zweite Gruppe zwei zwischen dem Strahlseparator (SF) und dem Objekt (O) angeordnete konvergente und zylindrische Linsen (L3'; L3'') aufweist, deren Achsen senkrecht aufeinander stehen.
Interferometrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (S), die Referenzmittel (M), die Fotoaufnehmermittel (PC) und das Objekt (O) entsprechend dem Michelson-Interferometer angeordnet sind und dass die Interferenz zwischen den elementaren Referenzstrahlen (FR0 bis FR4) und dem Objektstrahl (FO) durch einen Strahlseparator (SF) erhalten wird, der in der Mitte (OC) dieser Anordnung angeordnet ist.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membran (D) zwischen dem Strahlseparator (SF) auf seiner den Fotoaufnehmerelementen (PC0 bis PC4; x0z0 bis xmzn) zugewandten Seite angeordnet ist.
Interferometrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Phasenschieber oder ein Phasenmodulator (DPH) auf derjenigen Seite des Strahlseparators (SF) angeordnet ist, die dem Objekt (O) oder den Referenzmitteln (M) zugewandt ist.
Interferometrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen der zweiten Gruppe von Linsen (L3, L4) Brennweiten wie f3«f4 haben, von denen f3 die Brennweite der in der Nähe des Objektes (O) angeordneten Linse (L3) ist und f4 die Brennweite der in der Nähe der Fotoaufnehmerelemente (PC0 bis PC4; x0z0 bis xmzn) angeordneten Linse (L4) ist.
Interferometrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (S), die Referenzmittel (M), die Fotoaufnehmermittel (PC) und das Objekt (O) entsprechend dem Mach-Zehnder-Interferometer angeordnet sind und dass das Objekt (O) und die Referenzmittel (M) von den Objekt- (O) und Referenz- (FR0 bis FR4) Strahlen durchquert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (S) eine Anordnung mehrerer Elementarquellen aufweist, die vorzugsweise auf einer Linie oder in einer Matrix angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenschieber (DPH) oder der Phasenmodulator dazu verwendet wird, eine dem Ausgangssignal der Fotoaufnehmermittel (PC) überlagerte Detektion zu ermöglichen.