EP1476716A1 - Niederkoh renz-interferometrisches ger t zur lichtoptis chen abtastung eines objektes - Google Patents

Niederkoh renz-interferometrisches ger t zur lichtoptis chen abtastung eines objektes

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Publication number
EP1476716A1
EP1476716A1 EP03742908A EP03742908A EP1476716A1 EP 1476716 A1 EP1476716 A1 EP 1476716A1 EP 03742908 A EP03742908 A EP 03742908A EP 03742908 A EP03742908 A EP 03742908A EP 1476716 A1 EP1476716 A1 EP 1476716A1
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EP
European Patent Office
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light
scanning
selection device
path
detector
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03742908A
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English (en)
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Inventor
Alexander KNÜTTEL
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Original Assignee
Individual
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
    • G—PHYSICS
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    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
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    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
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    • G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
    • G01B2290/40—Non-mechanical variable delay line

Definitions

  • the invention relates to a low-coherence interferometric device for light-optical scanning of an object by detecting the position of light-emitting points which run at different distances from the device along a path in the scanning direction (ie in the direction of the detecting light beam; "z-direction") Scanning distance are localized.
  • This is referred to below as a low coherence distance scan (LCDS).
  • Such devices and the corresponding methods are used to examine different objects. They make it possible to determine or represent the distance to one or more scattering object points with maximum precision. Important areas of application are the automated measurement of object surfaces and the investigation of the optical scattering behavior within an object, the latter application being particularly important in the medical field (tissue diagnosis). In some applications, it is sufficient to examine the object one-dimensionally, that is to say only along a scanning path running in the beam direction. ("Longitudinalabtastung", English “longitudinal scan”). In the majority of applications, however, the aim is to obtain information about reflecting structures in a scanning plane or (three-dimensionally) about a volume section by means of an additional lateral scan. This requires a two- or three-dimensional scanning, which in the simplest case can be achieved by one- or two-dimensional lateral displacement of the interferometer. Such methods enable multidimensional image display and are usually referred to as OCT (Optical Coherence Tomography).
  • OCT Optical Coherence Tomography
  • the device contains an interferometer arrangement, which usually includes a beam splitter, a reference reflector and the detector in addition to the low-coherent light source.
  • the light paths between these elements form interferometer arms. The light from the light source reaches the beam splitter through a light source arm and is split there.
  • a first light component is radiated onto the object as a measuring light via an object arm in the scanning direction, while a second light component reaches the reference reflector as a reference light via a reflector arm. Both light components are reflected (the measuring light at light-emitting points (light reflecting sites) in the examination object, the reference light at the reference reflector) and returned to the beam splitter in the same light path (object arm or reference arm). There they are combined and fed to the detector as detection light via a detection arm.
  • the longitudinal scan position is varied in rapid succession. This is usually done by changing the relationship between the lengths of the reference light path and the measurement light path. This changes the position on the scanning path for which the prerequisite for the interference of the measuring light and the reference light (namely that the optical path length of the two light paths differ from one another by a maximum of the coherent length of the light source) is fulfilled.
  • the current scanning position is the position on the scanning path for which the optical length of the measuring light path matches the optical length of the reference light path (from beam splitting to beam combining) ("coherence condition").
  • the reference mirror is shifted in the direction of the reference beam, thereby shortening or lengthening the reference light path.
  • the invention relates specifically to applications in which extremely fast longitudinal scanning should be possible.
  • An important example is ongoing investigations of multi-layer films ("multi-films") for production monitoring or quality control.
  • the film runs past a measuring head at high speed and it must be continuously monitored whether a certain desired layer thickness (for example 100 ⁇ m) is maintained within predetermined limits.
  • a certain desired layer thickness for example 100 ⁇ m
  • Such applications place very high demands on the scanning speed. If one assumes, for example, that the diameter of the surface point ("spot") to which the examination relates is 8 ⁇ m and that the film web to be examined is transported at a speed of 10 m / sec, it should be every 0.8 ⁇ sec a measured value can be recorded. This results in a minimum sampling rate of 1.25 MHz. With 256 points per longitudinal scan, this results in a repetition rate of 4.9 kHz. Such high repetition rates cannot be achieved by moving a mirror.
  • KF Kwong et al "400-Hz echanical scanning optical delay line", Optics Letters 1993, 558-560 describes an optical delay path which can be arranged in the reference arm of an interferometer.
  • the variation in the optical path length is achieved by a combination of a dispersion grating and a mirror which can be pivoted within a narrow angular range.
  • a similar arrangement is also used in
  • a change in the optical path length can be achieved by piezoelectric stretching of optical fibers (piezoelectric fiber stretching).
  • piezoelectric fiber stretching requires a relatively large component and does not allow a sufficiently high repetition rate.
  • the energy requirement is also high.
  • the longitudinally displaceable mirror in the reference channel can be replaced by a rotating glass cube (see also US Patent 6,144,456).
  • a rotating glass cube see also US Patent 6,144,456.
  • the invention is based on the technical problem of providing an interferometric device which enables an extremely high repetition rate of the longitudinal scanning with reasonable effort.
  • a low-coherence interferometric device for light-optical scanning of an object by detecting the position of light-emitting points which are located along a scanning path running in a scanning direction with a short-coherence interferometer, which has a short-coherent light source, a reference reflector and one Detector, wherein the light emanating from the light source is divided into two light paths by means of a beam splitter, a first part of the light being radiated onto the object as measuring light and at a light-emitting point which is located at an adjustable scanning position on the scanning path, is reflected and a second part of the light is radiated as reference light onto the reference reflector and is reflected there, the adjustable scanning position on the scanning path is varied in order to carry out a scanning and the measuring light and the reference light on a street be brought together in such a way that the resulting detection light generates an interference signal when it strikes the detector, which information as a function of the strength of the reflection of the measurement light of the respectively
  • the scanning unit used for setting the scanning position is in the light path of the detection light after the combination of the reference light and the measurement light.
  • the change in the longitudinal scan position in the invention is not based on a change in the
  • a full longitudinal scan can be performed at a very high repetition rate (10-100 kHz). For many applications, particularly when monitoring moving objects, it is important that the sampling frequency per sampling point can be significantly higher (1 - 10 MHz).
  • the measuring head of the device can be miniaturized very well because the scanning unit is arranged in the detection light path, which can be connected via optical fibers to the other parts of the interferometer, which can be integrated into a compact measuring head.
  • the evaluation is not dependent on phase-sensitive information in the detection light path and is therefore very robust. The risk that misalignment can result in signal distortion is also relatively low.
  • the light intensity detected by the detector is high (in particular in comparison to DE 4309056) because no location-selective detection is necessary.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an LCDS device according to the invention
  • FIG. 2 shows a basic illustration of part of a first embodiment of a variable wavelength selection device
  • 3 shows a basic illustration of part of a second embodiment of a wavelength selection device
  • 4 shows a diagram to illustrate the analog and digital selection by means of a spatial light selection device
  • FIG. 6 shows a graphic representation of the k-profile of an interferometer when the measurement light is reflected at a light-emitting point in a defined scanning position
  • FIG. 7 shows a basic illustration of a first embodiment of a mechanically variable spatial light selection device
  • FIG. 8 shows a basic illustration of a second embodiment of a mechanically variable spatial light selection device
  • FIG. 8a shows an enlarged detail from FIG. 8,
  • FIG. 10 shows a basic illustration of part of a fourth embodiment of a wavelength selection device
  • 11 shows a basic illustration of part of a fifth embodiment of a wavelength selection device
  • 12 shows a basic illustration of part of a sixth embodiment of a wavelength selection device.
  • the LCDS device 1 shown in FIG. 1 consists of a measuring head 2, a scanning unit 3 and an electronics unit 4.
  • the illustration is not to scale and is highly schematic. Structural details that are insignificant for the function of the invention are not shown.
  • the measuring head 2 and the scanning unit 3 contain the optical components of a short-coherence interferometer 6.
  • the light from a light source 7 is coupled via a lens 8 into a single-mode optical fiber which forms the light source arm 9 of the interferometer 6.
  • the primary light transported in the light source arm 9 is evenly divided as a measuring light 16 into a sample arm 12 and as a reference light 22 into a reference arm 11 by means of an optical coupler 10 acting as a beam splitter, in which the light transport also takes place in optical fibers.
  • the measuring light 16 is coupled out into an objective 13, which consists of lenses 14 and 15.
  • the lens 15 refocuses the measuring light 16, which is emitted through a window 17 in the direction of an examination object 18.
  • a reflection takes place both in the sample arm 12 and in the reference arm 11, namely at a light-emitted point 20 of the measurement object 18 or at a reference reflector 21.
  • the reflected measurement light 16 and the reflected reference light 22 are again in the optical coupler 10 brought together and transported in a detection arm 23 as detection light 24 to the detector 25.
  • the construction of the interferometer 6 is essentially conventional and need not be explained in more detail.
  • another known design can also be used.
  • a free beam arrangement with a free beam beam splitter can be used instead of the fiber optic implementation with a fiber optic coupler 10.
  • the same optical element 10 is preferably used for the beam splitting and for the beam combining - as shown.
  • a special feature of the interferometer arrangement contained in the measuring head 2 is that neither the reference arm 11 nor the sample arm 12 contains means by which the lengths of both arms (more generally speaking, the lengths of the measuring light path and the reference light path) are changed relative to one another by the to vary the longitudinal scanning position along a scanning path 27 shown in dashed lines in FIG. 1 in the scanning direction symbolized by the arrow 28.
  • the variation of the scanning position required for performing the longitudinal scanning is rather effected by means of the scanning unit 3, which is arranged in the light path of the detection light 24 between the merging of the light by the optical coupler 10 and the detector 25.
  • the scanning unit 3 contains a variable wavelength selection device, denoted overall by 30, the essential parts of which can be seen more clearly in FIGS. 2 and 3 in two different embodiments.
  • it includes a spectral decomposition device 31 through which the Detection light 24 is spatially broken down depending on the light wavelength ⁇ .
  • the spectral decomposition device 31 is formed by a reflecting spectral grating 32, but other optical elements (transmission gratings, prisms) which are customary in spectral apparatuses can also be used.
  • the spectrally split light emitted by the spectral grating 32 is focused on a spatial light selection device 38 by means of an optical imaging system 36 consisting of two objectives 34 and 35.
  • the first objective 34 collimates the light emerging from the entrance pupil 37 of the wavelength selection device 30 onto the spectral decomposition device 31, while the second objective 35 focuses the light emerging from the spectral decomposition device 31 onto the light selection device 38.
  • the spatial light electron device 38 has light passage areas 39 and blocking areas 40 which alternate along a line which preferably runs straight in a spatial direction designated by x in the figures.
  • the line of the alternating light passage and blocking areas 39, 40 must run transversely to the optical axis A of the detection light 24 so that the light fanned out by the spectral decomposition device 31 depending on the wavelength strikes the alternating light passage and blocking areas along the line in such a way that it strikes is forwarded to the detector 25 with a correspondingly alternating wavelength-dependent intensity.
  • the detection light 24 also passes the light passage areas 39 less weakening compared to the restricted areas 40.
  • the light with the wavelength ⁇ 1 falling on the center of a light passage region 39 reaches the detector 25 almost without attenuation, while the light with the wavelength ⁇ 2 occurring in the center of a blocking region is blocked almost completely.
  • the light with the wavelengths ⁇ 3 that strikes between a light passage area and a blocking area is partially weakened.
  • the terms “light passage area” and “blocking area” are not to be understood as limiting in the sense of a transmission arrangement in which the light passes through an optical element. Rather, the alternately different attenuation can also be brought about by a reflective optical element.
  • FIG. 4 illustrates that both in the case of a transmitting spatial light selection device 42 according to FIG. 2 and in the case of a reflecting light selection device 43 shown in FIG. 3, the transmission T or reflection R of the element preferably varies analogously (in particular sinusoidally) depending on the position x , However, the digital selection shown in dashed lines in the figure is also possible. It is crucial that light preferably selectively reaches the detector 25 in accordance with the defined k-profile of the wavelength selection device 30. The difference between the minimum light attenuation of the wavelengths corresponding to the k-profile and the maximum light attenuation of the “blocked” wavelengths in between (“selection contrast”) should preferably be as large as possible. In the embodiments of the invention shown in FIGS.
  • variable selection of light wavelengths according to the k-profile of the wavelength selection device 30 is achieved in that, with constant angular dispersion of the wavelength-dependent decomposition of the light, the distance between the alternating light passage and blocking areas 39.40 of the spatial light selection device 38 is variable.
  • a spectral decomposition device 31 with variable angle dispersion in combination with a constant spatial light selection device 38. In principle, both elements could also be variable.
  • an electrically controllable LCD mask can be used as the transmitting variable spatial light selection device 38 (FIGS. 1 and 2).
  • the minimum distance between adjacent transmission areas is given by the double pixel distance of the mask. Larger distances can be set gradually as a multiple of this distance.
  • An approximately analog transmission curve can be achieved if the pixel distance is very much smaller than the shortest desired distance between the transmission areas.
  • DMD Digital Mirror Device
  • Such micromirror arrays are produced with very small pixel spacings, in particular for projection systems.
  • the zero point from which the distance ⁇ z is to be measured is defined by that point of the measuring light path for which the optical path lengths of the measuring light path and the reference light path are the same. It is referred to below as the point of coincidence of optical lengths. In the context of the invention, the point of coincidence has a double meaning:
  • the coincidence point is therefore the zero point of the longitudinal scanning according to the invention, at which the respective scanning position is at a distance ⁇ z from the coincidence point.
  • Such a spectrum can be observed experimentally if a reflector is arranged in the measuring light beam of an LCDS device according to FIG. 1 at a point on the scanning path 27 which is at a distance ⁇ z from the coincidence point of the interferometer and at the position of the spatial light selection device 38 the intensity curve in the x direction, ie the dependence of the intensity on the wavelength (with a position-sensitive or movable detector) along the line 55 is analyzed.
  • the k-profile of the interferometer in the k-space for the set value ⁇ z corresponds to this spectrum in the ⁇ -space.
  • Interference maxima of the k-profile of the interferometer are equidistant, provided that no dispersion differences between the measurement light path and the reference light path have to be taken into account.
  • a longitudinal scanning position at a distance ⁇ z from the coincidence point can accordingly be set by setting the variable wavelength selection device 30 to an equidistant sequence of the wave number k, the distances ⁇ k of which are calculated according to equation 1. Since the relationship between ⁇ and k is not linear (but reciprocal), the corresponding spectrum in ⁇ space is not strictly equidistant. When considering a relatively narrow-band spectrum, as shown in FIG. 6, the sequence of the selected ⁇ values is also approximately constant.
  • the k-profile of the wavelength selection device becomes that which is not equidistant when considering the dispersion T DE03 / 00288
  • Adjusted k-profile of the interferometer This can be done experimentally in a relatively simple manner by placing a reflector in succession in different scanning positions on the scanning path 27 provided and, for example as described above, measuring the resulting spectrum in the detection light path of the interferometer. In this way, a k-profile of the interferometer is obtained for each scanning position in the intended ⁇ z range.
  • the same k-profiles are also set in the wavelength selection device 30 for carrying out the scanning and varied throughout for carrying out a longitudinal scanning.
  • the selected light 24 strikes the light-sensitive surface of a detector 25.
  • the detector 25 is not location-selective, i.e. it converts the entire light intensity striking it into an electrical signal, which is forwarded to the electronics unit 4 and evaluated there.
  • a condenser lens 48 is arranged in front of the detector 25, which acts as a light-collecting element 49.
  • the intensity of the light detected by the detector 25 as a function of the setting of the k profile of the wavelength selection unit 30 is detected by means of an evaluation unit 50.
  • the corresponding value of the scanning position ⁇ z is assigned to each k-profile.
  • the intensity of the measured signal after subtracting a baseline corresponds to the strength the reflection at the respectively set scanning position.
  • the scanning is not based on a change in the ratio of the optical path lengths of the measurement light path (measured up to the point of coincidence) and the reference light path, this does not mean that the position of the reference reflector 21 in the reference light path must be fixed in terms of apparatus. Rather, for the purpose of adjusting the apparatus, it can be advantageous to make this position adjustable. However, the length of the reference light path remains constant during the scanning.
  • FIGS. 7 and 8 show two different embodiments of a mechanically variable light selection device 38, which have in common that strip-shaped light passage and blocking areas 39, 40 are provided on a rotatable disk 54 and 56, respectively, which run in such a way that they measured along a line 55 running across the surface of the pane
  • the light passage and blocking areas can be generated in any shape, for example, by photolithographic processing of metallized glass plates.
  • the light passage areas 39, 40 run straight and parallel.
  • the line 55 effective with respect to the wavelength selection i.e. the line on which the spectrum of the spectral separation device is mapped
  • the light passage and blocking areas run 39.40 at the edge of the disk 56 in sections towards each other over a length 1 such that their distance with respect to the line 55, onto which the spectrum is projected, decreases in each case during the rotation within the section 57.
  • a complete scanning process takes place during the passage of a section 57, so that a very high scanning speed is achieved. For example, with a rotation of 100 revolutions per second and 100 sections 57 (with replicated structures in each case) repetition rates of 10 kHz can be achieved. Since the line structure of the areas 39, 40 can be arbitrarily curved, it is possible to adapt the light selection to dispersion differences in the measurement and reference light path.
  • FIG. 9 Another example of this general principle is shown in FIG. 9.
  • the detection light 24 coming from the spectral decomposition device 31 is focused on the surface of an AOM (Acousto-Optical Modulator). Continuous sound waves are generated in the AOM. The resulting vibrations in the crystal (consisting of Te0 2 , for example) lead to spatial light selection taking place at an angle corresponding to first-order diffraction.
  • AOM Acoustic-Optical Modulator
  • the detector 25 and the condenser lens 48 are arranged at this diffraction angle to the optical axis of the light incident on the AOM 59.
  • the light passage and blocking areas 39, 40 of the spatial light selection device 38 formed by the AOM 59 are on the latter
  • the surface is not stationary, but runs continuously in the x direction. This does not affect the function of the invention.
  • FIG. 10 illustrates that the optical imaging required in the scanning unit 30 does not necessarily have to be effected by means of additional components.
  • a curved spectral grating 60 can be used as the spectral decomposition device 31, by means of which not only the spectral decomposition but also the collimation of the light emerging from the entrance pupil 37 onto the spatial light selection device 38 is effected.
  • FIG. 11 illustrates an alternative embodiment of the variable wavelength selection device 30, in which a spectral decomposition device 31 with variable spreading is used in combination with a constant spatial light selection device 38.
  • the detection light 24 is spectrally split by an AOBD (Acousto-Optic Beam Deflector) after it emerges from the entrance pupil 37 and collimates through the objective 34.
  • the AOBD forms a variable spectral grating, the grating spacing of which depends on the electrical frequency applied.
  • the resulting spectral components are focused on a constant spatial light selection device 38 by means of the second objective 35.
  • FIG. 12 shows a variable wavelength selection device 30, which differs fundamentally from the previously described embodiments in that it is not based on the combination of a spectral decomposition device with a spatial selection device.
  • the one emerging from the detection light guide 23 03 00288 is not based on the combination of a spectral decomposition device with a spatial selection device.
  • Detection light 24 is coupled into a light guide 64 with partially reflecting end faces, the refractive index of which depends on the electric field strength.
  • the light guide 64 is surrounded by two electrodes 65, 66, to which a variable voltage V can be applied in order to vary the electric field strength in the light guide 64. Due to the Fabry-Perot effect, the change in the refractive index in the light guide 64 associated with the change in the electric field strength results in a change in the optical light path, which in turn effects a light wave selection through interference.

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Abstract

Niederkohärenz-interferometrisches Gerät zur lichtopti­schen Abtastung eines Objektes (18) mit einem Kurzkohä­renz-Interferometer (6), welches eine kurzkohärente Lichtquelle (7), einen Referenzreflektor (21) und einen Detektor (25) umfaßt, wobei das von der Lichtquelle (7) ausgehende Licht auf zwei Lichtwege (11,12) aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil als Meßlicht (16) auf das Objekt gestrahlt und ein zweiter Teil als Referenzlicht (22) auf den Referenzreflektor (21) gestrahlt wird und das Meßlicht (16) und das Referenzlicht (22) nach Refle­xion an dem Objekt (18) bzw. dem Referenzreflektor (21) an einer Strahlzusammenführung (10. Für eine schnelle Abtastung ist Lichtweg des Detektionslichts zwischen der Strahlzusammenführung (10) uml;ber die Stärke der Reflexion des Meßlichts in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Abtastposition enthält. Um eine extrem schnelle Abtastung zu ermöglichen, ist in dem Lichtweg des Detektionslichts zwische(10) und dem Detektor (25) eine variable Wellenlängenselektionseinrichtung (30) angeordnet, durch die das Detektionslicht (24) in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge derartig selektiert wird, daß zu dem Detektor (25) selektiv bevorzugt Licht mit Wellenlängen gelangt, die einer für die Abhängigkeit vonWellenzahlen k entspre­chen. Zur Variation der Abtastung einstellbaren folge von Wellenzahlen k entsprechen.

Description

Niederkohärenz-interferometrisches Gerät zur lichtoptischen Abtastung eines Objektes
Die Erfindung betrifft ein Niederkohärenz-interferometrisches Gerät zur lichtoptischen Abtastung eines Objektes durch Detektion der Position von lichtremittierenden Stellen, die in unterschiedlichen Abständen von dem Gerät längs einer in Abtastrichtung (d.h. in Richtung des de- tektierenden- Lichtstrahles; " z-Richtung" ) verlaufenden Abtaststrecke lokalisiert sind. Nachfolgend wird dies als Low Coherence Distance Scan (LCDS) bezeichnet.
Derartige Geräte und die entsprechenden Verfahren werden zur Untersuchung unterschiedlicher Objekte eingesetzt. Sie ermöglichen es, mit höchster Präzision die Entfernung zu einem oder mehreren streuenden Objektpunkten zu be- stimmen oder bildlich darzustellen. Wichtige Anwendungsgebiete sind die automatisierte Vermessung von Objektoberflächen und die Untersuchung des optischen Streuverhaltens innerhalb eines Objektes, wobei der letztere Anwendungsfall vor allem auf medizinischem Gebiet (Gewebe- diagnostik) bedeutsam ist. Bei manchen Anwendungsfällen ist es ausreichend, das Objekt eindimensional, also nur längs einer in Strahlrichtung verlaufenden Abtaststrecke, zu untersuchen. ("Longi- tudinalabtastung" , englisch "longitudinal scan"). In der Mehrzahl der Anwendungsfälle geht es jedoch darum, durch eine zusätzliche laterale Abtastung (lateral scan) eine Information über reflektierende Strukturen in einer Abtastebene oder (dreidimensional) über eine Volumenausschnitt zu gewinnen. Diese erfordert eine zwei- bzw. dreidimensionale Abtastung, die im einfachsten Fall durch ein- oder zweidimensionale laterale Verschiebung des Interferometers erreicht werden kann. Solche Verfahren ermöglichen eine mehrdimensionale Bilddarstellung und werden üblicherweise als OCT (Optical Coherence Tomography) bezeichnet.
Gemeinsam ist allen LCDS-Verfahren, daß Licht einer niederkohärenten (spektral breitbandig emittierenden) Lichtquelle in zwei Lichtwege, nämlich einen Meßlichtweg, der in die Probe eindringt, und einen Referenzlichtweg aufgeteilt wird und die beiden Teillichtwege vor dem Auftreffen auf einem Detektor derartig zusammengeführt werden, daß sie miteinander interferieren. Zu diesem Zweck enthält das Gerät eine Interferometer-Anordnung, die übli- cherweise außer der niederkohärenten Lichtquelle einen Strahlteiler, einen Referenzreflektor und den Detektor umfaßt . Die Lichtwege zwischen diesen Elementen bilden Interferometerarme . Das Licht der Lichtquelle gelangt durch einen Lichtquellenarm zu dem Strahlteiler und wird dort aufgeteilt. Ein erster Lichtanteil wird als Meßlicht über einen Objektarm in Abtastrichtung auf das Objekt gestrahlt, während ein zweiter Lichtanteil als Referenzlicht über einen Reflektorarm zu dem Referenzreflektor gelangt. Beide Lichtanteile werden reflektiert (das Meß- licht an lichtremittierenden Stellen (light reflecting sites) in dem Untersuchungsobjekt, das Referenzlicht an dem Referenzreflektor) und auf dem jeweils gleichem Lichtweg (Objektarm bzw. Referenzarm) zu dem Strahlteiler zurückgeführt. Dort werden sie zusammengefaßt und als Detektionslicht über einen Detektionsarm dem Detektor zugeführt .
Bei der Abtastung wird die longitudinale Abtastposition (longitudinal scan position) in rascher Folge variiert. Dies geschieht üblicherweise durch Veränderung der Relation der Längen des Referenzlichtweges und des Meßlichtweges. Dadurch wird diejenige Position auf der Abtaststrecke verändert, für die die Voraussetzung für die Interferenz des Meßlichts und des Referenzlichts (nämlich, daß sich die optische Weglänge beider Lichtwege maximal um die Koheränzlänge der Lichtquelle voneinander unterscheiden) erfüllt ist. Die aktuelle Abtastposition ist dabei jeweils diejenige Position auf der Abtaststrecke, für die die optische Länge des Meßlichtweges mit der op- tischen Länge des Referenzlichtweges (jeweils von der Strahlteilung bis zur Strahlzusammenführung) übereinstimmt ("Kohärenzbedingung") . In der Regel wird der Referenzspiegel in Richtung des Referenzstrahles verschoben und dadurch der Referenzlichtweg verkürzt oder verlängert wird.
Nähere Einzelheiten über unterschiedliche vorbekannte LCDS-Geräte sind der einschlägigen Literatur zu entnehmen. Hierzu gehören folgende Publikationen: 1) WO 95/33971
2) J. M. Schmitt "Compact in-line interferometer for low- coherence reflectometry" , Optic Letters 1995, 419 bis 421
3) WO 97/27468 Die Erfindung bezieht sich speziell auf Anwendungsfälle, bei denen eine extrem schnelle Longitudinalabtastung möglich sein soll. Ein wichtiges Beispiel sind laufende Untersuchungen von Mehrschichtfolien ("Multifolien" ) zur Produktionsüberwachung oder Qualitätskontrolle. Dabei läuft die Folie mit hoher Geschwindigkeit an einem Meßkopf vorbei und es ist laufend zu überwachen, ob eine bestimmte gewünschte Schichtstärke (von beispielsweise 100 μm) innerhalb vorbestimmter Grenzen eingehalten wird, Derartige Anwendungsfälle stellen sehr hohe Anforderungen an die Abtastgeschwindigkeit. Geht man beispielsweise davon aus, daß der Durchmesser des Oberflächenpunktes ("spot") auf den sich die Untersuchung bezieht, 8 μm beträgt und die zu untersuchende Folienbahn mit einer Geschwindigkeit von 10 m/sec transportiert wird, so müßte etwa alle 0,8 μsec ein Meßwert aufgenommen werden. Hieraus errechnet sich eine Mindestabtastrate von 1,25 MHz. Bei 256 Punkten je Longitudinalabtastung resultiert hieraus eine Wiederholrate von 4,9 kHz. Derartig hohe Wieder- holraten lassen sich durch Verschieben eines Spiegels nicht erreichen.
Es sind bereits eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden, bei LCDS-Geräten eine höhere Wiederholrate zu ermög- liehen.
In der Publikation
4) K.F. Kwong et al : "400-Hz echanical scanning optical delay line", Optics Letters 1993, 558-560 wird eine optische Verzögerungsstrecke beschrieben, die im Referenzarm eines Interferometers angeordnet werden kann. Die Variation der optischen Weglänge wird dabei durch eine Kombination eines Dispersionsgitters und eines in einem engen Winkelbereich schwenkbaren Spiegels er- reicht. Eine ähnliche Anordnung wird auch in
5) US Patent 6,111,645 und
6) G. J. Tearney et al : High-speed phase- and group-delay scanning with a grating-based phase control delay line", Optics Letters 1997, 1811-1813 als Bestandteil eines LCDS-Gerätes, das sich für sehr schnelle Abtastungen eignen soll, beschrieben. In diesen Publikationen wird das in dem Zitat 4) verwendete Grundprinzip dahingehend verallgemeinert, daß ein Dispersions- gitter in Verbindung mit einem spektralen Phasenschieber verwendet werden soll. Es werden auch nicht-mechanische Möglichkeiten zur Realisierung eines spektralen Phasenschiebers beschrieben, insbesondere ein akusto-optischer Modulator (AOM) .
Nachteilig bei diesen Vorschlägen ist, daß die doppelte Passage des Lichts durch die aus Spektralgitter und optischem Phasenschieber bestehende Verzögerungseinheit einen sehr hohen Justieraufwand bedingt, weil ein exakter Wie- dereintritt in eine Single-Mode-Lichtleitfaser erforderlich ist. Außerdem ist mit diesem Lichtweg ein hoher Intensitätsverlust verbunden.
In den Zitaten 5) und 6) werden einleitend weitere Lö- sungsversuche des vorausgehenden Standes der Technik diskutiert :
Eine Änderung der optischen Weglänge läßt sich durch piezoelektrische Dehnung von Lichtleitfasern (piezo- electric fiber stretching) erreichen. Dies erfordert allerdings ein relativ großes Bauteil und ermöglicht keine hinreichend hohe Wiederholrate. Außerdem ist der Energiebedarf hoch.
Der longitudinal verschiebbare Spiegel im Referenzkanal kann durch einen rotierenden Glaswürfel ersetzt werden (vgl. auch US Patent 6,144,456). Dies führt allerdings zu einer nichtlinearen Änderung der optischen Weglänge sowie zu einer von der optischen Weglänge abhängigen Dispersion. Auch in diesem Fall können die erreichbaren Wiederholraten gehobene Ansprüche nicht befriedigen.
Auf dieser Grundlage liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein interferometrisches Gerät zur Ver- fügung zu stellen, das mit vertretbarem Aufwand eine extrem hohe Wiederholrate der Longitudinalabtastung ermöglicht.
Dieses Problem wird gelöst durch ein Niederkohärenz- interferometrisches Gerät zur lichtoptischen Abtastung eines Objektes durch Detektion der Position von lichtremittierenden Stellen, die längs einer in einer Abtastrichtung verlaufenden Abtaststrecke lokalisiert sind mit einem Kurzkohärenz-Interferometer, welches eine kurz- kohärente Lichtquelle, einen Referenzreflektor und einen Detektor umfaßt, wobei das von der Lichtquelle ausgehende Licht mittels eines Strahlteilers auf zwei Lichtwege aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil des Lichts als Meßlicht auf das Objekt gestrahlt und an einer lichtremit- tierenden Stelle, die sich an einer einstellbaren Abtastposition auf der Abtaststrecke befindet, reflektiert wird und ein zweiter Teil des Lichts als Referenzlicht auf den Referenzreflektor gestrahlt und dort reflektiert wird, die einstellbare Abtastposition auf der Abtast- strecke zur Durchführung einer Abtastung variiert wird und das Meßlicht und das Referenzlicht an einer Strahlzusammenführung so zusammengeführt werden, daß das resultierende Detektionslicht beim Auftreffen auf den Detektor ein Interferenzsignal erzeugt, das eine Information über die Stärke der Reflexion des Meßlichts in Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Abtastposition enthält, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in dem Lichtweg des De- tektionslichts zwischen der Strahlzusammenführung und dem Detektor eine variable Wellenlängenselektionseinrichtung angeordnet ist, durch die das Detektionslicht in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge derartig selektiert wird, daß zu dem Detektor selektiv bevorzugt Licht mit Wellenlängen gelangt, die einer vorbestimmten Folge von Wellenzahlen k entsprechen und zur Variation der Abtastposition längs der Abtaststrecke unterschiedliche Folgen der Wellenzahlen k einstellbar sind.
Im Gegensatz zu den oben erläuterten bisherigen Versuchen zur Realisierung einer extrem schnellen Longitudinalabta- stung befindet sich die für die Einstellung der Abtastposition verwendete Abtasteinheit (scanning unit) im Lichtweg des Detektionslichts nach der Zusammenfassung des Referenzlichts und des Meßlichts. Die Änderung der longi- tudinalen Abtastposition (longitudional scan position) basiert bei der Erfindung nicht auf einer Änderung der
Relation der Länge von Meß- und Referenzlichtweg, sondern auf der Auswahl einer definierten Folge ausgewählter Wellenlängen des interferierenden Detektionslichts. Diese Auswahl wird mittels der Wellenlängenselektionseinrich- tung so variiert, daß die den ausgewählten Wellenlängen entsprechende Folge von Wellenzahlen ("k-Profil der Wellenlängenselektionseinrichtung") jeweils mit demjenigen k-Profil des Interferometers übereinstimmt, das der jeweiligen Abtastposition entspricht. Dies wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Das bei der Erfindung benutzte physikalische Phänomen ist als sogenannte "Müller 'sehe Streifen" seit langem bekannt. Gelegentlich wurde es auch bei interferometrischen Verfahren eingesetzt. In der DE 4309056 ist die Möglichkeit beschrieben, die Entfernung streuender Punkte bzw. deren Intensitätsverteilung in Richtung des Detektions- strahls dadurch zu bestimmen, daß das Licht mittels eines Spektralapparates spektral zerlegt und das Spektrum mit einem ortsempfindlichen Photoempfänger, beispielsweise einer Photodiodenzeile, detektiert wird. In dem Dokument wird erläutert, daß mit einer solchen Anordnung die Intensitätsverteilung durch Fouriertransformation des de- tektierten Spektrum ermittelt werden kann. Dieses Verfahren ist für schnelle Longitudinalabtastungen ungeeignet, weil der Zeitbedarf für das Auslesen der Daten der Photodiodenzeile und die Verarbeitung in Form einer Fouriertransformation viel zu hoch ist. Außerdem ist das Detek- torsignal wegen der erforderlichen guten Ortsauflösung sehr schwach und deswegen das S/N (signal/noise) - Verhältnis schlecht.
Durch die Erfindung werden mehrere wichtige Vorteile er- reicht:
Eine vollständige longitudinale Abtastung kann mit einer sehr hohen Wiederholrate (10 - 100 kHz) durchgeführt werden. Für viele Anwendungszwecke, insbeson- dere bei der laufenden Überwachung bewegter Objekte, ist wichtig, daß die Abtastfrequenz je Abtastpunkt noch wesentlich höher (1 - 10 MHz) sein kann.
Der Meßkopf des Gerätes kann sehr gut miniaturisiert werden, weil die Abtasteinheit im Detektionslichtweg angeordnet ist, der über Lichtleitfasern mit den übrigen Teilen des Interferometers, die in einen kompakten Meßkopf integriert werden können, verbunden werden kann. Die Auswertung ist nicht von phasensensitiven Informationen im Detektionslichtweg abhängig und deswegen sehr robust. Auch das Risiko, daß durch Fehljustage Signalverzerrungen entstehen können, ist verhältnismäßig gering.
Die von dem Detektor erfaßte Lichtintensität ist (insbesondere im Vergleich zu der DE 4309056) hoch, weil keine ortsselektive Detektion notwendig ist.
Soweit sich die Dispersion des Lichts auf dem Meßlichtweg von der Dispersion auf dem Referenzlichtweg unterscheidet, führt dies bei vorbekannten Geräten zu Signalunschärfen. Im Rahmen der Erfindung können sol- ehe Dispersionsunterschiede durch eine entsprechende Anpassung des k-Profils der Wellenlängenselektions- einrichtung ausgeglichen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dargestellten und beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzpdarstellung eines erfindungsgemäßen LCDS-Gerätes,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Teils einer er- sten Ausführungsform einer variablen Wellenlängenselektionseinrichtung,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Teils einer zweiten Ausführungsform einer Wellenlängenselekti- onseinrichtung, Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der analogen und digitalen Selektion durch eine räumliche LichtSelektionseinrichtung,
Fig. 5 eine grafische Darstellung der Überlagerung zweier unterschiedlicher Wellenlängen,
Fig. 6 eine grafische Darstellung des k-Profils eines Interferometers bei Reflexion des Meßlichtes an einer lichtremittierenden Stelle in einer definierten Abtastposition,
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer mechanisch veränderlichen räum- liehen Lichtselektionseinrichtung,
Fig. 8 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer mechanisch veränderlichen räumlichen LichtSelektionseinrichtung,
Fig. 8a einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 8,
Fig. 9 eine Prinzipdarstellung eines Teils einer dritten Ausführungsform einer Wellenlängenselekti- onseinrichtung,
Fig. 10 eine Prinzipdarstellung eines Teils einer vierten Ausführungsform einer Wellenlängenselektionseinrichtung,
Fig. 11 eine Prinzipdarstellung eines Teils einer fünften Ausführungsform einer Wellenlängenselektionseinrichtung, Fig. 12 eine Prinzipdarstellung eines Teils einer sechsten Ausführungsform einer Wellenlängenselektionseinrichtung .
Das in Fig. 1 dargestellte LCDS-Gerät 1 besteht aus einem Meßkopf 2, einer Abtasteinheit 3 und einer Elektronikeinheit 4. Die Darstellung ist nicht maßstäblich und stark schematisiert. Konstruktive Einzelheiten, die für die Funktion der Erfindung unwesentlich sind, sind nicht dar- gestellt.
Der Meßkopf 2 und die Abtasteinheit 3 enthalten die optischen Bauteile eines Kurzkohärenz-Interferometers 6. Das Licht einer Lichtquelle 7 wird über ein Objektiv 8 in eine Single-Mode Lichtleitfaser eingekoppelt, die den Lichtquellenarm 9 des Interferometers 6 bildet. Das in dem Lichtquellenarm 9 transportierte Primärlicht wird mittels eines als Strahlteiler wirkenden optischen Kopplers 10 gleichmäßig als Meßlicht 16 in einen Probenarm 12 und als Referenzlicht 22 in einen Referenzarm 11 aufgeteilt, in denen der Lichttransport ebenfalls in Lichtleitfasern erfolgt. In dem Probenarm 12 wird das Meßlicht 16 in ein Objektiv 13 ausgekoppelt, das aus Linsen 14 und 15 besteht. Die Linse 15 refokussiert das Meßlicht 16, das durch ein Fenster 17 in Richtung auf ein Untersuchungsobjekt 18 gestrahlt wird.
Sowohl in dem Probenarm 12 als auch in dem Referenzarm 11 findet eine Reflexion statt, nämlich an einer lichtremit- tierten Stelle 20 des Meßobjektes 18 bzw. an einem Referenzreflektor 21. Das reflektierte Meßlicht 16 und das reflektierte Referenzlicht 22 werden in dem optischen Koppler 10 wieder zusammengeführt und in einem Detekti- onsarm 23 als Detektionslicht 24 zu dem Detektor 25 transportiert. P T/DE03/00288
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Insoweit ist die Konstruktion des Interferometers 6 im wesentlichen konventionell und muß nicht näher erläutert werden. Statt der dargestellten Interferometeranordnung kann auch eine andere bekannte Gestaltung verwendet wer- den. Insbesondere kann statt der faseroptischen Realisierung mit einem faseroptischen Koppler 10 eine Freistrahl- anordnung mit einem Freistrahl-Strahlteiler verwendet werden. Es ist auch grundsätzlich möglich, gesonderte optische Elemente einerseits als Strahlteiler für die Aufteilung des Lichts und andererseits als Strahlzusammenführung zu verwenden. Bevorzugt wird jedoch für die Strahlteilung und für die Strahlzusammenführung - wie dargestellt - das gleiche optische Element 10 verwendet.
Eine Besonderheit der in dem Meßkopf 2 enthaltenen Inter- ferometeranordnung besteht darin, daß weder der Referenzarm 11 noch der Probenarm 12 Mittel enthält, durch die die Längen beider Arme (allgemeiner gesprochen die Längen des Meßlichtweges und des Referenzlichtweges) relativ zueinander verändert werden, um die longitudinale Abtastposition längs einer in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Abtaststrecke 27 in der durch den Pfeil 28 symbolisierten Abtastrichtung zu variieren. Die für die Durchführung der Längsabtastung erforderliche Variation der Abtastposition wird vielmehr mittels der Abtasteinheit 3 bewirkt, die im Lichtweg des Detektionslichts 24 zwischen der Zusammenführung des Lichts durch den optischen Koppler 10 und dem Detektor 25 angeordnet ist.
Die Abtasteinheit 3 enthält eine insgesamt mit 30 bezeichnete variable Wellenlängenselektionseinrichtung, deren wesentliche Teile in den Figuren 2 und 3 in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen deutlicher zu erkennen sind. Im dargestellten bevorzugten Fall schließt sie eine SpektralZerlegungseinrichtung 31 ein, durch die das Detektionslicht 24 in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge λ räumlich zerlegt wird. Die SpektralZerlegungseinrichtung 31 wird im dargestellten Fall von einem reflektierenden Spektralgitter 32 gebildet, jedoch können auch andere in Spektralapparaturen gebräuchliche optische Elemente (Transmissionsgitter, Prismen) verwendet werden. Das von dem Spektralgitter 32 abgestrahlte spektral zerlegte Licht wird mittels eines aus zwei Objektiven 34 und 35 bestehenden optischen Abbildungssystems 36 auf eine räumliche Lichtselektionseinrichtung 38 fokussiert . Das erste Objektiv 34 kollimiert das aus der Eintrittspupille 37 der Wellenlängenselektionseinrichtung 30 austretende Licht auf die SpektralZerlegungseinrichtung 31, während das zweite Objektiv 35 das aus der Spektralzerlegungsein- richtung 31 austretende Licht auf die Lichtselektionsein- richtung 38 fokussiert.
Die räumliche Lichtselektrionseinrichtung 38 weist Lichtpassagebereiche 39 und Sperrbereiche 40 auf, die längs einer Linie alternieren, welche vorzugsweise gerade in einer in den Figuren mit x bezeichneten Raumrichtung verläuft. In jedem Fall muß die Linie der alternierenden Lichtpassage- und Sperrbereiche 39,40 quer zu der optischen Achse A des Detektionslichts 24 verlaufen, daß das durch die SpektralZerlegungseinrichtung 31 wellenlängenabhängig aufgefächerte Licht derartig längs der Linie auf die alternierenden Lichtpassage- und Sperrbereiche auftrifft, daß es mit entsprechend wellenlängenabhängig alternierender Intensität zu dem Detektor 25 weitergeleitet wird.
Dies kann sowohl mit einer in Figur 2 dargestellten Transmissionsanordnung als auch mit einer in Figur 3 dargestellten Reflexionsanordnung erreicht werden. Das De- tektionslicht 24 passiert die Lichtpassagebereiche 39 mit im Vergleich zu den Sperrbereichen 40 geringerer Schwächung. Beispielsweise gelangt in den Figuren 2 und 3 das auf die Mitte eines Lichtpassagebereiches 39 fallende Licht mit der Wellenlänge λ1 nahezu ungeschwächt zu dem Detektor 25, während das mittig auf einen Sperrbereich auftretende Licht mit der Wellenlänge λ2 nahezu vollständig blockiert wird. Das zwischen einem Lichtpassagebereich und einem Sperrbereich auftreffende Licht mit der Wellenlängen λ3 wird partiell geschwächt. Anhand von Fi- gur 3 wird deutlich, daß die Begriffe "Lichtpassagebereich" und "Sperrbereich" nicht beschränkend im Sinne einer Transmissionsanordnung zu verstehen sind, bei der das Licht durch ein optisches Element hindurchtritt . Vielmehr kann die alternierend unterschiedliche Schwä- chung auch durch ein reflektierendes optisches Element bewirkt werden.
Figur 4 verdeutlicht, daß sowohl bei einer transmittie- renden räumlichen Lichtselektionseinrichtung 42 gemäß Figur 2 als auch bei einer in Figur 3 dargestellten reflektierenden Lichtselektionseinrichtung 43 die Transmission T bzw. Reflexion R des Elementes in Abhängigkeit von der Position x vorzugsweise analog (insbesondere sinusförmig) variiert. Die in der Figur gestrichelt darge- stellte digitale Selektion ist jedoch ebenfalls möglich. Entscheidend ist, daß zu dem Detektor 25 selektiv bevorzugt Licht entsprechend dem definierten k-Profil der Wellenlängenselektionseinrichtung 30 gelangt. Bevorzugt sollte die Differenz zwischen der minimalen Lichtschwä- chung der dem k-Profil entsprechenden Wellenlängen und der maximalen LichtSchwächung der dazwischenliegenden "gesperrten" Wellenlängen ("Selektionskontrast") möglichst groß sein. Bei den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungs- formen der Erfindung wird die variable Selektion von Lichtwellenlängen gemäß dem k-Profil der Wellenlängenselektionseinrichtung 30 dadurch erreicht, daß bei konstan- ter Winkeldispersion der wellenlängenabhängigen Zerlegung des Lichts der Abstand der alternierenden Lichtpassage- und Sperrbereiche 39,40 der räumlichen Lichtselektionseinrichtung 38 variabel ist. Alternativ besteht auch die (weiter unten anhand von Figur 11 erläuterte) Mδglich- keit, eine SpektralZerlegungseinrichtung 31 mit variabler Winkeldispersion in Kombination mit einer konstanten räumlichen Lichtselektionseinrichtung 38 einzusetzen. Prinzipiell könnten auch beide Elemente variabel sein.
Als transmittierende variable räumliche Lichtselektionseinrichtung 38 (Figuren 1 und 2) kann beispielsweise eine elektrisch ansteuerbare LCD-Maske verwendet werden. Dabei ist der minimale Abstand benachbarter Transmissionsbereiche durch den doppelten Pixelabstand der Maske gegeben. Größere Abstände können stufenweise als Vielfaches dieses Abstandes eingestellt werden. Ein näherungsweise analoger Transmissionsverlauf läßt sich erreichen, wenn der Pixelabstand sehr viel kleiner als der kürzeste gewünschte Abstand zwischen den Transmissionsbereichen ist.
In dieser Hinsicht besonders vorteilhaft ist eine Reflexionsanordnung der in Figur 3 dargestellten Art, bei der ein DMD (Digital Mirror Device) als variable Lichtselektionseinrichtung verwendet werden kann. Solche Mikrospie- gel-Arrays werden mit sehr kleinen Pixelabständen insbesondere für Projektionssysteme hergestellt.
Nachfolgend wird das bei der Erfindung verwendete Prinzip anhand der Figuren 5 und 6 erläutert . Figur 5 zeigt die Überlagerung zweier am Nullpunkt in Phase schwingender Wellenzüge 45 und 46 auf einer Strecke Δz . Am Ende der Strecke Δz befinden sich die Wellenzüge wiederum in Phase, interferieren also konstruktiv. Aus der Figur kann man unmittelbar entnehmen, daß zwei Wellenzüge unter den dargestellten Bedingungen konstruktiv interferieren, wenn ihre Wellenlänge ein ganzzahliger Bruchteil von Δz ist, d.h. die Bedingung λ = Δz/n gilt.
Zur Vereinfachung wurden hier nur zwei Wellenzüge betrachtet. In der Realität findet eine Interferenz vieler benachbarter Wellenzüge statt . Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen der Wellenzahl k und der Wellenlänge λ (k = 2π/λ) läßt sich die allgemeine Regel ablei- ten, daß über eine Strecke Δz diejenigen Wellenzüge konstruktiv miteinander interferieren, deren Wellenzahlen sich um
(1) Δk = 2π/Δz
unterscheiden.
Eine solche Interferenz findet auch in dem Dektektionsarm eines Interferometers statt. Der Nullpunkt, von dem aus die Strecke Δz zu messen ist, wird dabei durch denjenigen Punkt des Meßlichtweges definiert, für den die optischen Weglängen des Meßlichtweges und des Referenzlichtweges gleich sind. Er wird nachfolgend als Koinzidenzpunkt (point of coincidence of optical lengths) bezeichnet. Im Rahmen der Erfindung hat der Koinzidenzpunkt eine doppelte Bedeutung:
a) Einerseits markiert er den Punkt, für den die einleitend erläuterte Kohärenzbedingung erfüllt ist. Dies ist bei den üblichen LCDS-Geräten Grundlage der lon- gitudinalen Abtastung.
b) Zugleich markiert er die Position, an der Phasen- gleichheit des Meßlichts und des Referenzlichts für alle Wellenlängen herrscht (sofern keine Dispersionsunterschiede bestehen) . Der Koinzidenzpunkt ist deshalb der Nullpunkt der erfindungsgemäßen Longitudinalabtastung, bei der sich die jeweilige Abtastposi- tion in einer Entfernung Δz von dem Koinzidenzpunkt befindet .
Figur 6 zeigt ein aus einer solchen Überlagerung resultierendes Interferenzspektrum (auf den Maximalwert nor- mierte Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge) einer Lichtquelle mit einer Zentralwellenlänge λ0 = 800 nm und einer spektralen Bandbreite ΔλFWHM = 50 nm für eine Interferenzstrecke Δz = 100 μm.
Experimentell kann man ein solches Spektrum beobachten, wenn man im Meßlichtstrahl eines LCDS-Gerätes gemäß Figur 1 einen Reflektor an einem Punkt der Abtaststrecke 27 anordnet, der sich in einem Abstand Δz von dem Koinzidenzpunkt des Interferometers befindet und an der Positi- on der räumlichen Lichtselektionseinrichtung 38 den Intensitätsverlauf in x-Richtung, d.h. die Abhängigkeit der Intensität von der Wellenlänge (mit einem ortsempfindlichen oder verschiebbaren Detektor) längs der Linie 55 analysiert. Diesem Spektrum im λ-Raum entspricht das k- Profil des Interferometers im k-Raum für den eingestellten Wert Δz .
Mathematisch ergibt sich aus der obigen Gleichung (1) ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen dem Abstand der Maxi- ma des k-Profils und Δz . Im k-Raum sind demzufolge die 03 00288
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Interferenzmaxima des k-Profils des Interferometers äqui- distant, sofern keine Dispersionsunterschiede zwischen dem Meßlichtweg und dem Referenzlichtweg berücksichtigt werden müssen. Eine longitudinale Abtastposition in einem Abstand Δz von dem Koinzidenzpunkt läßt sich demzufolge einstellen, indem die variable Wellenlängenselektionseinrichtung 30 auf eine äquidistante Folge der Wellenzahl k eingestellt wird, deren Abstände Δk gemäß Gleichung 1 berechnet sind. Da der Zusammenhang zwischen λ und k nicht linear (sondern reziprok) ist, ist das entsprechende Spektrum im λ-Raum nicht streng äquidistant . Bei Betrachtung eines relativ schmalbandigen Spektrums, wie es in Figur 6 dargestellt ist, ist jedoch auch die Folge der selektierten λ-Werte näherungsweise konstant.
Wie bereits mehrfach erwähnt, setzen die vorstehenden Überlegungen voraus, daß keine Dispersion berücksichtigt werden muß, daß also die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge in dem Meßlichtweg und in dem Refe- renzlichtweg übereinstimmt. Da bei den gebräuchlichen LCDS-Geräten die Schärfe des Abtastsignals von Dispersionsunterschieden negativ beeinflußt wird, werden üblicherweise erhebliche Anstrengungen unternommen, durch geeignete Auswahl der Lichtleitmedien eine möglichst weitgehende Angleichung der Dispersion beider Lichtwege zu erreichen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es hingegen möglich, Dispersionsunterschiede zwischen dem Lichtweg des Meßlichts 16 und dem Lichtweg des Referenzlichts 22 auf einfache Weise dadurch auszugleichen, daß die Folge der Wellenzahlen k die von der Längenwellense- lektionseinrichtung 30 selektiert werden, derartig von einer äquidistanten Folge abweicht, daß der Dispersionsunterschied ausgeglichen wird. Mit anderen Worten wird das k-Profil der Wellenlängenselektionseinrichtung an das unter Berücksichtigung der Dispersion nicht äquidistante T DE03/00288
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k-Profil des Interferometers angeglichen. Experimentell kann dies auf relativ einfache Weise dadurch geschehen, daß man auf der vorgesehenen Abtaststrecke 27 einen Reflektor nacheinander in unterschiedliche Abtastpositionen bringt und, beispielsweise wie oben beschrieben, das resultierende Spektrum im Detektionslichtweg des Interfero- meters mißt. Auf diese Weise erhält man für jede Abtastposition in dem vorgesehenen Δz-Bereich ein k-Profil des Interferometers . Die gleichen k-Profile werden zur Durchführung der Abtastung auch in der Wellenlängenselektionseinrichtung 30 eingestellt und zur Durchführung einer Longitudinalabtastung durchvariiert.
Nach Passage der Wellenlängenselektionseinrichtung 30 trifft das selektierte Licht 24 auf die lichtempfindliche Oberfläche eines Detektors 25. Der Detektor 25 ist nicht ortsselektiv, d.h. er wandelt die gesamte auf ihn auf- treffende Lichtintensität in ein elektrisches Signal um, das an die Elektronikeinheit 4 weitergeleitet und dort ausgewertet wird. Bei der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist dem Detektor 25 jeweils eine Kondensorlinse 48 vorgelagert, die als lichtsammelndes Element 49 wirkt. Dadurch kann das gesamte durch die Wellenlängenselektrionseinrichtung 30 hin- durchtretende Licht mit einer vergleichsweise kleinen Detektorfläche erfaßt werden.
In der Elektronikeinheit 4 wird die Intensität des von dem Detektor 25 erfaßten Lichts in Abhängigkeit von der Einstellung des k-Profils der Wellenlängenselektionseinheit 30 mittels einer Auswerteeinheit 50 erfaßt. Dabei ist jedem k-Profil der entsprechende Wert der Abtastposition Δz zugeordnet. Die Intensität des gemessenen Signals nach Abzug einer Grundlinie (d.h. die Abweichung der In- tensität von dem Grundliniensignal) entspricht der Stärke der Reflexion an der jeweils eingestellten Abtastposition.
Obwohl die Abtastung nicht auf einer Veränderung der Re- lation der optischen Weglängen des Meßlichtweges (gemessen bis zu dem Koinzidenzpunkt) und des Referenzlichtweges basiert, bedeutet dies nicht, daß die Position des Referenzreflektors 21 im Referenzlichtweg apparativ fixiert sein muß. Vielmehr kann es zum Zwecke der Justie- rung der Apparatur vorteilhaft sein, diese Position einstellbar zu machen. Während der Abtastung bleibt die Länge des Referenzlichtweges jedoch konstant.
In den Figuren 7 und 8 sind zwei unterschiedliche Ausfüh- rungsformen einer mechanisch veränderlichen Lichtselektionseinrichtung 38 dargestellt, denen gemeinsam ist, daß auf einer drehbaren Scheibe 54 bzw. 56 streifenförmige Lichtpassage- und Sperrbereiche 39,40 vorgesehen sind, die so verlaufen, daß sich ihr längs einer über die Scheibenoberfläche verlaufenden Linie 55 gemessener
Streifenabstand bei der Drehung der Scheibe ändert . Die Lichtpassage- und Sperrbereiche können beispielsweise durch photolithographische Bearbeitung von metallisierten Glasplatten in beliebiger Form erzeugt werden.
Bei der in Figur 7 dargestellten Scheibe 54 laufen die Lichtpassagebereiche 39,40 gerade und parallel. Die hinsichtlich der Wellenlängenselektion wirksame Linie 55 (d.h. die Linie, auf die das Spektrum der Spektralzerle- gungseinrichtung abgebildet wird) verläuft so, daß sich der effektive Abstand der Bereiche 39,40 bei der Drehung der Scheibe 54 ändert.
Bei der in den Figuren 8 und 8a dargestellten Ausfüh- rungsform verlaufen die Lichtpassage- und Sperrbereiche 39,40 am Rand der Scheibe 56 jeweils abschnittsweise über eine Länge 1 dergestalt aufeinander zu, daß ihr Abstand bezogen auf die Linie 55, auf die das Spektrum projeziert wird, während der Drehung innerhalb des Abschnittes 57 jeweils abnimmt. Während des Durchlaufs eines Abschnitts 57 findet jeweils ein vollständiger Abtastvorgang statt, so daß eine sehr hohe Abtastgeschwindigkeit erreicht wird. Beispielsweise lassen sich mit einer Rotation von 100 Umdrehungen pro Sekunde und 100 Abschnitten 57 (mit jeweils replizierten Strukturen) Wiederholraten von 10 kHz erzielen. Da die Linienstruktur der Bereiche 39,40 beliebig gekrümmt sein kann, ist eine Anpassung der Lichtselektion an Dispersionsunterschiede im Meß- und Referenzlichtweg möglich.
Im Zuammenhang mit den Figuren 2 und 3 wurde bereits die Möglichkeit beschrieben, für die räumliche Lichtselektionseinrichtung 38 ein optisches Element (LCD, DMD) zu verwenden, dessen Transmission oder Reflexion in unter- schiedlichen Teilbereichen einer Fläche selektiv elektronisch einstellbar ist. Ein weiteres Beispiel für dieses allgemeine Prinzip zeigt Figur 9. Dabei wird das von der SpektralZerlegungseinrichtung 31 kommende Detektionslicht 24 auf die Oberfläche eines AOM (Acousto-Optical Modula- tor) fokussiert . In dem AOM werden durchlaufende Schallwellen erzeugt . Die resultierenden Schwingungen in dem (beispielsweise aus Te02 bestehenden) Kristall führen dazu, daß unter einem der Beugung erster Ordnung entsprechenden Winkel eine räumliche Lichtselektion stattfindet. Der Detektor 25 und die Kondensorlinse 48 sind unter diesem Beugungswinkel zu der optischen Achse des auf den AOM 59 auftreffenden Lichts angeordnet. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind die Lichtspassage- und Sperrbereiche 39,40 der von dem AOM 59 gebilde- ten räumlichen Lichtselektionseinrichtung 38 auf deren Fläche nicht stationär, sondern laufen ständig in x- Richtung durch. Die Funktion der Erfindung wird hierdurch jedoch nicht beeinträchtigt.
Figur 10 verdeutlicht, daß die in der Abtasteinheit 30 erforderliche optische Abbildung nicht notwendigerweise mittels zusätzlicher Bauelemente bewirkt werden muß. Beispielsweise kann als SpektralZerlegungseinrichtung 31 ein gekrümmtes Spektralgitter 60 zu verwenden, durch das nicht nur die spektrale Zerlegung, sondern die Kollimati- on des aus der Eintrittspupille 37 austretenden Lichts auf die räumliche Lichtselektionseinrichtung 38 bewirkt wird.
Wie bereits erwähnt, verdeutlicht Figur 11 eine alternative Ausführungsform der variablen Wellenlängenselektionseinrichtung 30, bei der eine SpektralZerlegungseinrichtung 31 mit variabler Spreizung in Kombination mit einer konstanten räumlichen Lichtselektionseinrichtung 38 verwendet wird. In diesem Fall wird das Detektionslicht 24 nach dem Austritt aus der Eintrittspupille 37 und Kol- limation durch das Objektiv 34 durch einen AOBD (Acousto- Optic Beam Deflector) spektral zerlegt. Der AOBD bildet ein variables Spektralgitter, dessen Gitterabstand von der angelegten elektrischen Frequenz abhängig ist. Die resultierenden Spektralanteile werden mittels des zweiten Objektivs 35 auf eine konstante räumliche Lichtselektionseinrichtung 38 fokussiert.
Figur 12 zeigt eine variable Wellenlängenselektionseinrichtung 30, die sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen insofern grundsätzlich unterscheidet, als sie nicht auf der Kombination einer SpektralZerlegungseinrichtung mit einer räumlichen Selektionseinrichtung ba- siert. Das aus dem Detektionslichtleiter 23 austretende 03 00288
23
Detektionslicht 24 wird dabei in einen Lichtleiter 64 mit teilreflektierenden Endflächen eingekoppelt, dessen Brechungsindex abhängig von der elektrischen Feldstärke ist. Der Lichtleiter 64 ist von zwei Elektroden 65,66 umgeben, an die eine variable Spannung V angelegt werden kann, um die elektrische Feldstärke in dem Lichtleiter 64 zu variieren. Aufgrund des Fabry-Perot-Effektes resultiert die mit der Änderung der elektrischen Feldstärke verbundene Änderung des Brechungsindex in dem Lichtleiter 64 in ei- ner Änderung des optischen Lichtweges, die wiederum durch Interferenzen eine Lichtwellenselektion bewirkt.

Claims

Ansprüche
Niederkohärenz -interferometrisches Gerät zur lichtoptischen Abtastung eines Objektes (18) durch Detektion der Position von lichtremittierenden Stellen (20) , die längs einer in einer Abtastrichtung (28) verlaufenden Abtaststrecke (27) lokalisiert sind mit einem Kurzkohärenz-Interferometer (6) , welches eine kurzkohärente Lichtquelle (7) , einen Referenzreflektor (21) und einen Detektor (25) umfaßt, wobei das von der Lichtquelle (7) ausgehende Licht mittels eines Strahlteilers (10) auf zwei Lichtwege (11,12) aufgeteilt wird, wobei ein erster Teil des Lichts als Meßlicht (16) auf das Objekt gestrahlt und an einer lichtremittierenden Stelle (20) , die sich an einer einstellbaren Abtastposition auf der Abtaststrecke (27) befindet, reflektiert wird und ein zweiter Teil des Lichts als Referenzlicht (22) auf den Referenzreflektor (21) gestrahlt und dort reflektiert wird, die einstellbare Abtastposition auf der Abtaststrecke (27) zur Durchführung einer Abtastung variiert wird und das Meßlicht (16) und das Referenzlicht (22) an einer Strahl zusammenführung (10) so zusammengeführt werden, daß das resultierende Detektionslicht (24) beim Auftreffen auf den Detektor ein Interferenzsignal erzeugt, das eine Information über die Stärke der Reflexion des Meßlichts in P T/DE03/00288
25
Abhängigkeit von der jeweils eingestellten Abtastposition enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Lichtweg des Detektionslichts zwischen der Strahlzusammenführung (10) und dem Detektor (25) eine variable Wellenlängenselektionseinrichtung (30) angeordnet ist, durch die das Detektionslicht (24) in Abhängigkeit von seiner Wellenlänge derartig selektiert wird, daß zu dem Detektor (25) selektiv bevorzugt Licht mit Wellenlängen gelangt, die einer vorbestimmten Folge von Wellenzahlen k entsprechen und zur Variation der Abtastposition längs der Abtaststrecke (27) unterschiedliche Folgen der Wellenzahlen k einstellbar sind.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion in den Lichtwegen des Meßlichts (16) und des Referenzlichts (22) im Spektralbereich der Lichtquelle (7) im wesentlichen übereinstimmt und die Folge der Wellenzahlen k äquidistant ist.
Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dispersion in dem Lichtweg des Meßlichts (16) von der Dispersion in dem Lichtweg des Referenz- lichts (22) im Spektralbereich der Lichtquelle (7) unterscheidet und die Folge der Wellenzahlen k derartig von einer äquidistanten Folge abweicht, daß der Dispersionsunterschied ausgeglichen wird.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Wellenlängenselektionseinrichtung (30) eine SpektralZerlegungseinrichtung (31) einschließt, durch die das Detektionslicht (24) in Abhängigkeit von der Wellenlänge des Detektionslichts (24) räumlich zerlegt wird, eine räumliche Lichtselektionseinrichtung (38) mit längs einer Linie alternierenden Lichtpassageberei- chen (39) mit geringerer LichtSchwächung und Sperrbereichen (40) mit höherer Lichtschwächung einschließt, wobei das Detektionslicht (24) die Lichtpassagebereiche (39) mit im Vergleich zu den Sperrbereichen (40) geringerer Schwächung passiert, und ein optisches Abbildungssystem (34,35) einschließt, durch das das von der SpektralZerlegungseinrichtung (31) abgestrahlte Licht auf die räumliche Lichtselektionseinrichtung (38) fokussiert wird, wobei die Spreizung der wellenlängenabhängigen Zerle- gung des Detektionslichts (24) durch die Spektralzerlegungseinrichtung (31) und der Abstand der alternierenden Durchlaß- und Sperrbereiche (39,40) der Licht- selektionseinrichtung (38) zur Einstellung der Folge von Wellenzahlen k relativ zueinander variabel sind.
Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeldispersion der wellenlängenabhängigen Zerlegung des Lichts durch die SpektralZerlegungseinrichtung (31) konstant und der Abstand der alternie- renden Lichtpassage- und Sperrbereiche (39,40) der Lichtselektionseinrichtung (38) variabel ist.
Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die SpektralZerlegungseinrichtung (31) ein opti- sches Gitter (32) einschließt.
7. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisches Element
(60) des optischen AbbildüngsSystems (36) zugleich Bestandteil der SpektralZerlegungseinheit (31) ist.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Lichtselektionseinrichtung ein reflektierendes optisches Element (43) aufweist, auf das das Detektionslicht (24) einge- strahlt wird und das in den Lichtpassagebereichen
(39) und in den Sperrbereichen (49) selektiv unterschiedlich reflektiert.
9. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, daß die Lichtselektionseinrichtung (38) eine drehbare Scheibe (54,56) mit streifen- förmigen Lichtpassage- und Sperrbereichen (39,40) aufweist, die so verlaufen, daß sich ihr längs einer über die Scheibenoberfläche verlaufende Linie (55) gemessener Streifenabstand bei der Drehung der Scheibe (54,55) ändert.
10. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Lichtselekti- onseinrichtung (38) ein optisches Element (42,43,59) einschließt, dessen Reflexion oder Transmission in unterschiedlichen Teilbereichen einer Fläche selektiv elektronisch einstellbar ist.
11. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Lichtweg des Detektionslichts (24) zwischen der Lichtselektionseinrichtung (38) und dem Detektor (25) ein lichtsammelndes optisches Element (49) angeordnet ist, um das Detektionslicht (24) auf den Detektor (25) zu komprimieren.
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