EP2389575A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von optischen weglängen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von optischen weglängen

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EP2389575A1
EP2389575A1 EP09776327A EP09776327A EP2389575A1 EP 2389575 A1 EP2389575 A1 EP 2389575A1 EP 09776327 A EP09776327 A EP 09776327A EP 09776327 A EP09776327 A EP 09776327A EP 2389575 A1 EP2389575 A1 EP 2389575A1
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EP
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light
path
sample
optical
measurement
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Withdrawn
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EP09776327A
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Thilo Weitzel
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    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers

Definitions

  • the invention relates to devices and methods for measuring optical path lengths suitable for the optical measurement of layer thicknesses and the optical coherence tomography.
  • Interferometric arrangements and methods using low coherence light allow accurate determination of optical path lengths. Used in reflection, distances can be determined and used to scan surfaces, for example for determining surface profiles. With suitable samples, structures inside the sample can also be measured, which leads to optical coherence tomography.
  • the arrangements are characterized by an interferometer with two light paths, which are referred to in the following on the basis of the description of a Michelson interferometer as a measuring arm and reference arm, in other arrangements more generally as a measuring path and reference path.
  • the known arrangements and methods can be divided into two groups:
  • Arrangements which vary the optical path length of the reference arm such as by means of a movable mirror, and use a simple detector record an interference signal as a function of the optical path length of the reference arm, or the difference of the optical path lengths of the measuring and reference arm.
  • This signal shows a characteristic modulation when the difference of the optical path lengths of the measuring and reference arm becomes smaller than the coherence length.
  • OCDR can also record depth profiles of biological samples as far as the light can penetrate a sample using computer numerical methods a computer-aided three-dimensional reconstruction and visualization of the sample (OCT).
  • OCT optical coherence tomography
  • S-OCT spectral OCT
  • FD OCT fourier-doman OCT
  • Figure 1 shows first schematically the various measurement signals, which provide arrangements according to the prior art.
  • FIGS. 2 to 8 show variants of arrangements according to the prior art for OCDR and FD-OCT.
  • a suitable spatially monomodal light source BQ or SQ
  • BQ or SQ spatially monomodal light source
  • D detector
  • SA spectrometer
  • Figure 1 shows by way of example an interferogram (Ml), as can be measured in principle by an arrangement according to "optical coherence-domain reflectometry" (OCDR) .
  • the abscissa (x) represents the difference of the optical path lengths respectively set on the interferometer
  • the ordinate (I) the intensity of the measured signal
  • the bursts of fast modulation shown in the drawing then each represent reflections from inside the sample, thus allowing conclusions to be drawn about the internal structure of the sample.
  • Figure 1 shows an example of a spectrogram (MS), as it can be measured in principle by an arrangement according to the "optical Fourier-domain reflectometry” or "SPECTRAL OCT” (S-OCT).
  • the abscissa ( ⁇ ) represents the wavelength
  • the ordinate (I) the intensity of the wavelength measured at the respective wavelength. signal.
  • the modulation of the signal shown in the drawing represents a superposition of different, for the respective optical path length differences characteristic modulation. The respective proportions of these modulations can be separated by numerical Fourier transformation of the measurement and then each represent reflections from the interior of the sample and thus allow conclusions to be drawn about the internal structure of the sample.
  • Figure 1 shows by way of example a series of spectrograms (MAS) as can be measured from an optical fourier-domain reflectometry or spectral OCT (S-OCT) arrangement using, for example, an imaging spectrometer.
  • the individual signals correspond to the spectrogram (MS) shown in Figure 1, middle.
  • the abscissa ( ⁇ ) represents the wavelength
  • the ordinate (I) the intensity of the signal measured at the respective wavelength.
  • the additional coordinate (s) is the sequence number of the individual measurement.
  • spectral OCT In the case of an imaging spectrometer, "spectral OCT" arrangements can simultaneously detect a signal from several points of the sample surface, for instance along a line, which allows a correspondingly faster sampling of the sample if it is to be examined at more than one location.
  • Figures 2 and 3 illustrate devices based on optical coherence-domain reflectometry:
  • Figure 2 shows the classical arrangement based on a Michelson interferometer,
  • Figure 3 shows the usual arrangement using optical fibers.
  • the arrangements use a spectrally broadband light source (BQ) and a simple detector (D).
  • a basic arrangement according to Figure 2 uses a lens (L1) to initially collimate the light from said light source (BQ).
  • the resulting light beam is transmitted through a beam splitter (T) first to the reference arm, to a mirror (S) 1 and to the measuring arm, via a focusing optics (L2) Sample, split.
  • the light from both arms is reflected back to the beam splitter (T), superimposed there again and generates a path-length-dependent interference signal at the detector.
  • additionally used screens and spatial filters are not shown in the drawing.
  • the light is guided in optical fibers (F).
  • the light from said source (BQ) first reaches a fiber-optic beam splitter (T), which transmits the light to the reference arm, via a collimating lens (L4) to a mirror (S) 1 and to the measuring arm, via a focusing optics (L2) to the sample, splits.
  • the light reflected by the mirror (S) or the sample (P) is conducted back into the fibers via the said lens (L4) or the focusing optics (L2), superimposed again in the beam splitter (T) and finally via a collimating lens (L3) is supplied to the detector (D) which receives the path-length-dependent interference signal.
  • FIGS. 2 or 3 further have an electronic control and measuring device (C) which can control an actuator (A) which changes the optical path length in the reference arm and absorbs the intensity measured at the detector in such a way that an interferogram ( Ml) is measured that indicates the intensity applied to the detector as a function of the path length difference.
  • C electronic control and measuring device
  • Figures 4 and 5 illustrate devices based on optical Fourier-domain reflectometry (FD-OCT) and spectral OCT (S-OCT):
  • Figure 4 shows the classical arrangement based on a Michelson interferometer,
  • Figure 5 shows the usual arrangement using light guides.
  • the devices use a spectrally broadband light source (BQ) and an optical spectrometer (SA) for measurement.
  • BQ spectrally broadband light source
  • SA optical spectrometer
  • a basic arrangement according to Figure 4 uses a lens (L1) to first collimate the light from said light source (BQ).
  • the resulting Light beam is split by a beam splitter (T) first on the reference arm, to a mirror (S) 1 and on the measuring arm, via a focusing optics (L2) to the sample.
  • the light from both arms is reflected back to the beam splitter (T), superimposed there again and passed through a suitable optical element (L3) in said spectrometer.
  • a suitable optical element L3
  • the light from the said source (BQ) in an optical fiber (F) to a fiber optic beam splitter (T) is guided, which the light on the reference arm, via a collimating lens (L4) to a Mirror (S), as well as on the measuring arm, via a focusing optics (L2) to the sample, divides.
  • the light reflected by the mirror (S) or the sample (P) is conducted back into the fibers via the said lens (L4) or the focusing optics (L2), superimposed again in the beam splitter (T) and finally via another Fiber (F) guided in said spectrometer.
  • the spectrometer in arrangements according to Figures 2 or 3 can then record a spectrogram (MS), which represents structures of the sample as described.
  • MS spectrogram
  • a spectrally fast scanning light source (swept source) (SS-FD-OCT) can be used.
  • SS-FD-OCT spectrally fast scanning light source
  • Figure 6 shows the typical setup using a swept source. The resulting measurement is again a spectrogram. the intensity is measured as a function of the wavelength.
  • the light from said spectrally variable source (SQ) in an optical fiber (F) is directed to a fiber optic beam splitter (T) which directs the light onto the reference arm via a collimating beam Lens (L4) to a mirror (S), as well as on the measuring arm, via a focusing optics (L2) to the sample, divides.
  • the light reflected by the mirror (S) or the sample (P) is conducted back into the fibers via the said lens (L4) or the focusing optics (L2), superimposed again in the beam splitter (T) and finally via a collimating lens Lens (L3) to the detector (D) which receives the interference signal in response to the respective wavelength.
  • the device has an electronic control and measuring device (C), which can control the light source and absorbs the intensity measured at the detector, such that a spectrogram (MS) is measured which shows the intensity applied to the detector as a function of the wavelength ,
  • C electronic control and measuring device
  • MS spectrogram
  • Figure 7 shows an OCT arrangement based on optical fourierdome reflectometry using an imaging spectrometer.
  • a source is initially imaged linearly on the sample and then on the entrance slit of the spectrometer.
  • a depth profile along the said line can already be taken by a measurement.
  • the extinction of the broadband source (BQ) shown is first collimated by a lens (L1).
  • the resulting light beam is split by a beam splitter (T) first on the reference arm, to a mirror (S), and on the measuring arm, via a cylindrical lens (ZL2) to the sample.
  • the sample is thus illuminated along a line.
  • the light from both arms is reflected back to the beam splitter (T), superimposed there again and projected by suitable optical elements (ZL3) onto the entrance slit of an imaging spectrometer (ASA).
  • ASA imaging spectrometer
  • the spectrometer thus records a multiplicity of spectra (MAS) for points along the said line.
  • MAS multiplicity of spectra
  • Figure 8 shows, as another example, a variation of the interferometer as a "common path" interferometer, ie reference path and sample path are partially superimposed.
  • the arrangements use a spectrally broadband light source (BQ) and for the measurement an optical spectrometer (SA).
  • BQ spectrally broadband light source
  • SA optical spectrometer
  • the light from said source (BQ) in an optical fiber (F) is fed to a fiber optic beam splitter (T), but only one output is actually used.
  • the light is focused on the sample via a suitable optical system (L2) and a partially transmissive mirror (TS) positioned directly in front of the sample.
  • the light reflected from the mirror (TS) or the sample (P) is conducted via the said optical system (L2) into the chamfer (F) and partially guided via the beam splitter (T) into said spectrometer (SA).
  • SA spectrometer
  • the spectrometer can then record a spectrogram (MS), which represents structures of the sample as described.
  • the otherwise very compact and robust arrangement has the disadvantage that the sample must be in close proximity or in contact with a mirror used as a reference surface.
  • phase information of the measured interference signal can be used. This is either done optically directly at the detector or the measured phase information is provided for a numerical evaluation. The numerical evaluation can then use the phase information for a determination of, for example, the dispersion inside the sample.
  • both the spatial resolution can be improved as well as additional information about the material properties can be obtained inside the sample.
  • the aim of the invention is a method which, in contrast to the conventional OCT (OCDR) or the spectral OCT (S-OCT, FD-OCT), a measurement of additional information about the phase position of the partial beams brought to the interference or the spectrally resolved reconstruction of the phase information of the interferogram allowed and thus also provide additional information about the spectral dispersion inside the sample.
  • OCT optical coherence tomography
  • S-OCT spectral OCT
  • FD-OCT spectral OCT
  • the aim of the invention are further corresponding to the method novel arrangement for OCT which take into account the phase information and get along, if possible without moving parts.
  • This method allows the spectrally resolved measurement of the path length in particular, the spectrally resolved measurement of the refractive index in the interior of the sample. This in turn not only allows the appropriate correction of dispersion artifacts.
  • the spectrally resolved measurement of the refractive index or of the spectral dispersion can give clues about the chemical composition in the interior of the sample with spatial resolution. In particular, this measurement of the spectral dispersion is independent of intensity losses caused by scattering and absorption in the interior of the sample.
  • Some of the novel arrangements for OFCT are based on spectrally dispersive interferometers, ie interferometers which comprise spectrally angularly dispersive optical elements such as diffraction gratings or prisms, and a spatially resolving detector which records the resulting interferogram.
  • interferometers which comprise spectrally angularly dispersive optical elements such as diffraction gratings or prisms, and a spatially resolving detector which records the resulting interferogram.
  • the OFCT method uses an interferometer with a reference arm and a measuring arm or measuring path.
  • a spectrally resolved interferogram is measured in such a way that, for a suitable number of interpolation points, both the intensity of the light aud Samples path based on the light from the reference path and a relative phase of the light from the sample path relative to the reference path in each case in the departure from the wavelength can be measured.
  • Claim 1 generally describes the two possible embodiments of the method according to the invention in steps (a) to (f):
  • a spatially coherent but spectrally broadband light source is required.
  • the light source does not already produce a single spatial mode, such as a laser
  • the spatial coherence can be achieved by a spatial filter.
  • it makes sense to pass parts of the light paths in mono- mode glass fibers.
  • the coupling of the light into a mono-mode fiber also limits the light to a single spatial mode.
  • the light source can generate a broadband spectrum in advance, such as a superluminescent diode, or a primary narrowband light source is scanned over a spectral range, such as a tunable wavelength laser.
  • the first case all wavelengths within a spectral range are radiated simultaneously in the second case over a temporal course in succession. It does not necessarily have to be a continuum of wavelengths. Other variants, such as the superposition of a plurality of individual light sources of different wavelengths, are also possible.
  • the two optical paths are referred to below as reference path and sample path.
  • elements of the integrated optics or optical fibers such as mono-mode glass fibers, for the division or guidance of the light.
  • the sample to be measured is placed in the sample path so that light reflected or scattered from the sample or structures inside the sample is collected and passed on.
  • a characteristic element of the method according to the invention is that several and optionally a plurality of detectors or detector elements are used for the measurement of intensity and relative phase position of the light from the reference path.
  • Light from the reference path and the sample path is thereby superimposed on the respective detectors or detector elements after passing respectively different optical path lengths.
  • the resulting interference signals thus permit determination of both the intensity and relative phase of the light from the sample path relative to the light from the reference path.
  • the light from the reference path at the detectors shows higher intensity than the light from the sample path.
  • the light from the sample path then leads by constructive or destructive interference to a wavelength-dependent modulation of the intensity at the individual detectors or detector elements.
  • the detectors measure an interference pattern which directly indicates the intensity and relative phase of the light from the sample arm relative to the reference arm.
  • the recording and evaluation of the superimposition of light from the reference arm and light from the sample arm with the aim of determining path length differences or an OCT signal can be carried out using an arrangement according to the invention by the wavelength-dependent intensities at the detectors be superimposed taking into account the relative phase for all wavelengths used.
  • the intensities can be measured individually for all wavelengths and then numerically superimposed on the measurement results of the various detectors, or the intensities can already be optically superimposed and then the intensities of the superposition at the respective detectors are measured directly. In the main claim both options are described alternatively:
  • the numerical superimposition (e2) of the measurements has the great advantage that corrections of the phase position as a function of the wavelength, for example to compensate a spectral dispersion, are possible ,
  • Iterative algorithms for determining such corrections can therefore also estimate the spectral dispersion in the interior of the sample in a spatially resolving manner and thus provide information about the chemical nature of the sample in a locally resolving manner.
  • the new method is essentially based on the fact that for the interference arising from the superposition of the light from the reference path and the sample path, not only As with devices according to the prior art - depending on the wavelength intensity but at the same time as a function of the wavelength, the relative phase angle can be measured.
  • the optical or numerical superposition of the interference signals of all wavelengths then takes place taking into account the respective phase position.
  • variants of the arrangement which, according to method variant (e1), first generate an optical superimposition of the light intensities on the detectors or detector elements for all wavelengths and then carry out the measurement of the respective intensities of this superposition by the respective detectors or detector elements in order to obtain a data set ,
  • the variants which according to method variant (e2) first make the measurement of the light intensities at the detectors or detector elements as a function of the wavelength, wherein depending on the wavelength in each case both an intensity and a relative phase of the light from the measuring path is determinable on the reference path, and then make a numerical overlay of these measurements to obtain a data set.
  • Arrangements according to the invention from both groups can each be further subdivided into, on the one hand, the arrangements which use broadband light sources and those which use a scanning light source.
  • the arrangements according to the invention can each be further subdivided into, on the one hand, arrangements which use a few individual detectors and arrangements which use a multiplicity of detectors or, in particular, a detector array with a multiplicity of detector elements. Further variation possibilities result from different variants of the underlying interferometric arrangement.
  • the division of the light into a sample path and a reference path and the subsequent superposition at the detectors is realized by an interferometer, like a Michelson interferometer with a common beam splitter for division and superimposition of the arms or like a Mach-Zehnder interferometer with independent Beam splitters for division and overlay of the paths can be performed.
  • the arrangements according to the invention for the application of the novel method according to the invention differ fundamentally from the conventional arrangements in that several or a multiplicity of detectors or detector elements of an array detector are used at which light from reference path and sample path with respectively different relative path lengths for interference is brought.
  • detector arrangements thus permit the determination of both intensity and relative phase of the light from the sample arm with respect to the light from the reference arm.
  • detectors with a large number of individual detector elements (detector arrays)
  • particularly interesting arrangements result from the use of additional spectrally dispersive elements which systematically determine the relative phase of the light from the reference arm relative to the sample arm at the respective detector elements as a function of the Wavelength vary.
  • additional spectrally dispersive elements which systematically determine the relative phase of the light from the reference arm relative to the sample arm at the respective detector elements as a function of the Wavelength vary.
  • suitable amplitude or phase masks which can facilitate the detection of interference signals.
  • Figure 9 first shows the different variants of the measurement signals which provide the arrangements according to the invention.
  • FIG. 10 shows an arrangement according to the invention with a spectrally scanning light source and using a plurality of detectors for determining the phase position of the signal measured for the respective wavelength.
  • FIG. 11 shows an arrangement according to the invention with a spectrally scanning light source and using a detector array for recording an interferogram for the respective wavelengths, by means of which the phase position of the measured signal for the respective wavelengths can then be determined.
  • Figure 12 shows an inventive arrangement comparable to Figure 11 with the additional use of spectrally dispersive optical elements, which increase the phase variation and thus improve the resolution.
  • FIG. 13 shows an arrangement according to the invention with a spectrally scanning light source and using a plurality of detectors for determining the phase position of the signal measured for the respective wavelength.
  • the use of fiber optic elements or elements of integrated optics as shown both for guiding the light and for the interferometric superimposition can be technically advantageous.
  • FIG. 14 shows an arrangement according to the invention with a spectrally scanning light source and using a detector array for recording an interferogram for the respective wavelengths comparable to FIG. 11, but with advantageous use of fiber-optic elements.
  • Figure 15 shows an inventive arrangement according to Figure 14 with an additionally mounted in front of the detector optical mask, which advantageously affects the recording of the phase information.
  • Figure 16 shows an inventive arrangement which uses a broadband source (BQ) and also a mask in front of the detector.
  • BQ broadband source
  • Figure 17 shows an inventive arrangement with scanning source (SQ) and an array detector.
  • SQL scanning source
  • a diffraction grating as a spectrally dispersive optical element increases the phase variation of the interferograms recorded depending on the wavelength and thus improves the resolution.
  • Figure 18 shows an inventive arrangement using a broadband source (BQ), an array detector and also a diffraction grating.
  • BQ broadband source
  • Figure 19 shows an inventive arrangement comparable to Figure 18, but with the advantageous use of fiber optic elements.
  • Figure 20 shows a diffraction grating arrangement according to the invention for increasing the phase variation of the interferograms and a broadband source (BQ) but using an additional spectrally dispersive element (G2) which separates the wavelengths at the 2-dimensional detector array.
  • Figure 9 above shows the result of a measurement, such as is made by arrangements according to the invention as shown in Figures 11, 12, 14, 15, 17 or 20.
  • the abscissa (x) corresponds to the position of a detector element of the detector array and represents an optical path length difference
  • the ordinate (I) shows the intensity of the measured signal
  • the plurality of curves along the additional coordinate (n) represents the measurements at different wavelengths. Based on the characteristic sinusoidal modulation of the signals, both the intensity of the signal and a relative phase angle are determined for each wavelength.
  • the signals for each wavelength are first measured and then there is a numerical, weighted superposition of all curves.
  • the result of the numeric overlay is a curve as shown in Figure 9 below (CS3).
  • the respective occurring modulations of such a curve can be quantified by a Hilbert transformation and assigned to corresponding reflections from the interior of the sample.
  • FIG. 9 center (CS1), shows the result of a measurement such as is made by arrangements according to the invention according to Figures 10 or 13.
  • the upper curve shows the total intensity of the measured signal (l) as a function of the wavelength ( ⁇ ), the lower curve the associated relative phase position (P).
  • the abscissa of both curves corresponds to the wavelength ( ⁇ ), the ordinate in the upper curve (I) represents the measured Intgenstician.
  • the ordinate of the lower curve is a relative phase position (P) in the range 0 ° - 360 ° or 0 - 2 ⁇ .
  • a complex-valued signal is available in circular co-ordinates.
  • the values for each wavelength can be determined directly on the basis of the various detector signals by first combining the signals of the detectors into a quadrature signal.
  • Figure 9 below shows the result of a measurement such as is made by arrangements according to the invention according to Figures 16, 18 or 19.
  • the intensity distributions initially generated as optical interference for different wavelengths according to Figure 9 above (CS2) are already superimposed in arrangements according to Figures 16, 18 or 19, and according to the point e1 of the main claim optically to a sum signal and then this superposition is measured.
  • the abscissa (x) represents a path length difference
  • the ordinate (I) the intensity of the respectively measured sum signal of the interferograms for the different wavelengths for the respective path length difference. Reflections from inside the sample can then be determined by means of a numerical Hilbert transformation as just described.
  • Figures 10 and 11 show two simple arrangements according to the invention, Figure 1) based on a spectrometer, Figure 11 based on a scanning light source.
  • the light from a spectrally variable source (SQ) is first collimated by suitable optical element (L1) and passes through a mask (W), which acts as a wavefront splitter and divides the light beam into two spatially separated sub-beams.
  • a common beam splitter (T1) one of the two partial beams is guided as a reference arm to a mirror (S), the other as a measuring arm, guided via a focusing optics (L2) to the sample (P).
  • the light reflected by the mirror (S) or the sample (P) is guided again via said beam splitter (T1) and in the case of the specimen arm via a deflecting mirror (S2) to a further beam splitter (T2).
  • the reference beam is additionally spatially divided and passes in part a phase shifter plate, which delays the optical path length by about 1/4 wavelength.
  • Said second beam splitter (T2) brings the then resulting 4 partial beams to the 4 detectors (D1, D2, D3, D4) for interference.
  • the device has an electronic control and measuring device (C) which can control the light source and record the respective intensities measured at the detectors and numerically superimpose them into a quadrature signal such that both the intensity and the wavelength depend on the wavelength a relative phase position for the light from the reference arm can be determined (CS1).
  • C electronic control and measuring device
  • the light from a spectrally variable source (SQ) is first collimated by suitable optical element (L1) and passes through a mask (W), which acts as a wavefront splitter and the light beam into two spatially separated sub-beams Splits.
  • a common beam splitter (T1) one of the two partial beams is guided as a reference arm to a mirror (S), the other as a measuring arm, guided via a focusing optics (L2) to the sample (P).
  • the light reflected by the mirror (S) or the sample (P) is again guided via said beam splitter (T1) to either a further mirror (S2, S3) according to FIG. 11 or to a biprism according to FIG.
  • the light from the measuring arm and the light from the sample arm are superimposed on a detector array which can record the resulting interference signal.
  • the device has an electronic control and measuring device (C), which can control the light source and read the detector array so that interference signals for different wavelengths can be recorded (CS2).
  • C electronic control and measuring device
  • the light from a spectrally variable source (SQ) is first split by a fiber optic beam splitter (T1) onto a measurement path and a reference path.
  • the measuring path leads via a second fiber-optic beam splitter (T2) to a projection optics (L1) which focuses the light onto the sample and absorbs the light reflected from the sample and conducts it back into the fiber.
  • the light is then guided into a fiber-optical mixer (Q) via said second beam splitter (12).
  • the reference path leads via a third fiber optic beam splitter (T3) and a collimator (L2) to a mirror (S) which reflects the light back through the said collimator into the fiber.
  • the light is then also guided into said fiber-optical mixer (Q) via said third fiber-optic beam splitter (T3).
  • the mixer (Q) superimposes the light from the two arms, each with different phase shifts at the detectors (D1, D2, D3, D4).
  • the device has an electronic control and measuring device (C) which can control the light source and record the respective intensities measured at the detectors and numerically superimpose them into a quadrature signal such that both the intensity and the wavelength depend on the wavelength a relative phase position for the light from the reference arm can be determined (CS1).
  • the light from a spectrally variable source (SQ) is first split by a fiber optic beam splitter (T1) onto a measurement path and a reference path.
  • the measuring path leads via a second fiber-optic beam splitter (T2) to a projection optics (L1) which focuses the light onto the sample and absorbs the light reflected from the sample and conducts it back into the fiber.
  • the light is guided to a collimator (L3).
  • the reference path leads via a third fiber optic beam splitter (T3) and a collimator (L2) to a mirror (S) which reflects the light through said collimator (L2) back into the fiber.
  • the light is then guided to a further collimator (L4) via said third fiber-optic beam splitter (T3).
  • the light beams generated by the two last-mentioned collimators (L3.L4) the sample or reference arm are superimposed on a detector array (DA). Since the beams are not superimposed parallel but at a certain angle, results for each detector element of the detector array, a different path length difference of the two beams with the resulting different phase shifts of the respective interference signal.
  • the arrangement has an electronic control and measuring device (C), which can control the light source and can record the intensities measured at the detector array in such a way that the measurement (CS2) as a function of the wavelength both the intensity and a relative phase position for the light from the Probenarmarm based on the light from the reference arm can be determined.
  • C electronic control and measuring device
  • An inventive arrangement according to Figure 15 operates as the arrangement described above according to Figure 14, however, a mask is additionally arranged in front of the detector array.
  • the mask carries a stripe pattern, wherein the stripes are perpendicular to both optical axes of said two beams from the measurement path and the reference path.
  • the mask can be executed as an amplitude or as a phase mask.
  • the resulting spatial modulation of the intensity at the detector is then each as a beat! between the spatial frequency of the interference pattern and the spatial frequency of the mask. Since these beats show a much lower spatial frequency than the interference pattern itself, the detector requires only a correspondingly lower spatial resolution.
  • An arrangement according to the invention as shown in FIG. 16 initially works like the arrangement described above according to FIG. 15, but here a broadband source (BQ) is used.
  • BQ broadband source
  • the interference patterns for the different wavelengths are not measured individually and the corresponding control of the light source is eliminated. Instead, the respective interference patterns for the different wavelengths are incoherently superimposed on the detector and the corresponding sum signal is measured (CS3).
  • F optical fibers
  • SQ spectrally variable source
  • T1 fiber optic beam splitter
  • the measuring path leads via a second fiber-optic beam splitter (T2) to a projection optics (L1) which focuses the light onto the sample and absorbs the light reflected from the sample and conducts it back into the fiber.
  • a second beam splitter (12) the light is guided to a collimator (L3).
  • the reference path leads via a third fiber optic beam splitter (T3) and a collimator (L2) to a mirror (S) which reflects the light through said collimator (L2) back into the fiber.
  • the light is then guided to a further collimator (L4) via the aforementioned third fiber-optic beam splitter (T3).
  • the spectral dispersion of the two diffracted beams ie the resulting variation of the angle at which the partial beams are brought into interference at the detector represents the spatial beating generated in the arrays 15 and 16 by the mask (M) and supports the measurement in a corresponding manner.
  • An optional cylindrical optic (Z) can focus the resulting interference patterns onto a focal line so that a simple line array can be used as a detector.
  • the arrangement has an electronic control and measuring device (C), which can control the light source and can record the intensities measured at the detector array in such a way that the measurement (CS2) as a function of the wavelength both the intensity and a relative phase position for the light can be determined from the Probenarmarm based on the light from the reference arm.
  • FIG. 18 A technically advantageous variant of an arrangement according to the invention is shown in FIG. 18.
  • the arrangement uses a broadband source (BQ) whose light is collimated by suitable optical elements (L1).
  • BQ broadband source
  • the resulting light beam is split by a beam splitter (T1) onto a measurement path and a reference path.
  • the reference path leads via a further beam splitter (T3) first to a mirror (S).
  • the beam reflected by said mirror travels back to (T3) and is guided by suitable optical elements (S3) onto a diffraction grating (G).
  • the measuring path leads to the sample (P) via another beam splitter (T2) and focusing optical elements (L2).
  • the reflected light from the sample first to a mirror (S).
  • the beam reflected by said mirror travels back to (T3) and is also guided via suitable optical elements (S3) to said diffraction grating (G).
  • the two named beams from the measuring and reference paths are superimposed on said grating (G) in such a way that the resulting two diffracted beams can be imaged onto a detector array (DA) by suitable imaging optical elements (L3.L4) parallel but superimposed at a certain angle, resulting for each detector element of the detector array, a different path length difference of the two beams with the resulting different phase shifts of the respective interference signal.
  • the spectral dispersion of the two diffracted beams ie the resulting variation of the angle at which the partial beams are brought into interference at the detector represents the spatial beating generated in the arrays 15 and 16 by the mask (M) and supports the measurement in a corresponding manner.
  • An optional cylindrical optic (Z) can focus the resulting interference patterns onto a focal line so that a simple line array can be used as a detector.
  • the arrangement shown has a broadband light source, Therefore, in this case, the interference pattern for the different wavelengths are not measured individually and the corresponding control of the light source is eliminated. Instead, the respective interference patterns for the different wavelengths incoherently superimposed on the detector.
  • a suitable control unit (C) the detector array is read out and thus the corresponding sum signal is measured (CS3).
  • An arrangement according to the invention in accordance with FIG. 19 initially works like the arrangement described above according to FIG. 17, but here a broadband source (BQ) is used.
  • BQ broadband source
  • the interference patterns for the different wavelengths are not measured individually and the corresponding control of the light source is eliminated.
  • the respective interference patterns for the different wavelengths are incoherently superimposed on the detector and by a suitable control unit (C), the detector array is read out and thus the corresponding sum signal measured (CS3).
  • FIG. 20 An arrangement according to the invention as shown in FIG. 20 initially operates like the above-described arrangement according to FIG. 19 with a broadband source (BQ), but an additional spectrally dispersive element (G2) is used.
  • this additional spectrally dispersive element (G2) is a diffraction grating used in transmission whose lines are oriented perpendicular to the other diffraction grating (G1).
  • the detector array (DA) is 2-dimensional in this case.
  • the spectral dispersion produced by said additional diffraction grating (G2) separates at the detector the interference patterns for the different wavelengths.
  • the respective interference patterns for the different wavelengths can be measured separately at the detector.
  • the detector array is read out and thus the corresponding signals are measured (CS2).

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von optischen Weglängendifferenzen bzw. zur optischen Kohärenz Tomograhie mit den Schritten: Erzeugung von räumlich kohärentem Licht durch eine Lichtquelle (SQ, BQ), welche einen räumlichen Monomode abstrahlt oder deren Abstrahlung durch geeignete Mittel (F) auf einen einzelnen räumlichen Mode beschränkt wird, Aufteilung zumindest eines Teils des von der genannten Lichtquelle kommenden Lichtes in zwei räumlich getrennte Pfade, Platzierung einer zu vermessenden Probe (P) im Messpfad, Verwendung von wenigstens zwei Detektoren (D) bzw. von einem Detektor (D, A) mit mindestens zwei Detektorelementen (D) und weitere Mittel (S, T, BP, F, Q, L, G, Z) zur Strahlführung, welche Licht aus einem Referenzpfad und einem Messpfad an den Detektoren/Detektorelementen (D) zusammenführen und zur Interferenz bringen, Aufnahme und Auswertung der Lichtintensitäten an den Detektoren/Detektorelementen (D) um einen Datensatz zu erhalten und numerische Auswertung und Darstellung des Datensatzes derart, dass Rückschlüsse auf sowohl räumliche Position als auch Stärke der Reflektion bzw. Streuung der Probe (P) bzw. der Strukturen im inneren der Probe (P) möglich werden.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von optischen Weglängen
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Messung optischer Weglängen geeignet für die optische Messung von Schichtdicken und die Optische Kohärenztomographie.
Interferometrische Anordnungen und Verfahren unter Verwendung von Licht mit kurzer Kohärenzlänge (low coherence), gelegentlich als Weiss-Licht-Interferometrie bezeichnet (white-light-interferometry), erlauben eine genau Bestimmung optischer Weglängen. Verwendet in Reflektion lassen sich Abstände bestimmen und damit Oberflächen abtasten, etwa zur Bestimmung von Oberflächenprofilen. Bei geeigneten Proben können auch Strukturen im Inneren der Probe gemessen werden, dies führt zur optischen Kohärenztomographie.
Die Anordnungen sind gekennzeichnet durch ein Interferometer mit zwei Lichtwegen welche im folgenden in Anlehnung an die Beschreibung eine Michelson- Interferometers bezeichnet werden als Messarm und Referenzarm, in anderen Anordnungen allgemeiner als Messpfad und Referenzpfad. Die bekannten Anordnungen und Verfahren lassen sich in zwei Gruppen einteilen:
Anordnungen welche die optische Weglänge des Referenzarms variieren, etwa mit Hilfe eines beweglichen Spiegels, und einen einfachen Detektor verwenden, zeichnen ein Interferenz-Signal in Abhängigkeit von der optischen Weglänge des Referenzarms, bzw. der Differenz der optischen Weglängen von Mess- und Referenzarm auf. Dieses Signal zeigt eine charakteristische Modulation wenn die Differenz der optischen Weglängen von Mess- und Referenzarm kleiner als die Köhärentlän- ge wird. Diese Verfahren werden als „optical coherence-domain reflectometry" (OCDR) bezeichnet.
Anordnungen mit fixem Referenzarm, welche ein optisches Spektrometer als Detektor verwenden, messen das Spektrum des Interferenzsignals. Das Spektrum zeigt eine charakteristische wellenlängenabhängige Modulation in Abhängigkeit von der Differenz der optischen Weglängen im Mess- und Referenzarm. Mit Hilfe einer numerischen Fouriertransformation des Spektrums kann die Weglängendifferenz bestimmt werden. Diese Verfahren werden als „optical fourier-domain reflectometry" oder „spectral interferometry" bezeichnet.
Im Jahr 1991 wurde gezeigt (Huang, „optical coherence tomography", Science 254, 1178-1181 , 1991) das mittels OCDR auch Tiefenprofile von biologischen Proben aufgenommen werden können, insoweit das Licht in eine Probe eindringen kann. Durch Abtasten (scanning) kann mit Hilfe numerischer Methoden eine computergestützte drei dimensionale Rekonstruktion und Visualisierung der Probe erfolgen (OCT).
Die optical coherence tomography (OCT) hat mit der Verfügbarkeit geeigneter Lichtquellen und medizinischen Anwendungen in den letzten Jahren eine schnelle technische Evolution durchlaufen, welche die Kommerzialisierung des Verfahrens erlaubte. Trotz vielfältiger technischer Fortschritte basieren die Anordnungen noch immer auf einem der beiden genannten Verfahren. Mit der Bezeichnung OCT werden in der Regel Geräte auf Basis der optical coherence-domain reflectometry (OCDR) bezeichnet, während sich für Geräte auf Basis der optical fourier-domain reflectometry die Bezeichnung spectral-OCT (S-OCT) oder auch fourier-doman-OCT (FD-OCT) durchgesetzt hat.
Abbildung 1 zeigt zunächst schematisch die verschiedenen Messignale, welche Anordnungen gemäß dem Stand der Technik zur Verfügung stellen.
Die Abbildungen 2 bis 8 zeigen Varianten von Anordnungen zur OCDR und zur FD- OCT gemäß dem Stand der Technik. Allen diesen Anordnungen gemeinsam ist, dass das Licht einer geeigneten, räumlich monomodalen Lichtquelle (BQ oder SQ) zunächst auf einen Referenz-Arm und einen Mess-Arm aufgeteilt wird, das aus den Armen zurück reflektierte Licht wieder überlagert wird und dann das resultierende Interferenzsignal wieder als räumlicher monomode einem Detektor (D) bzw Spek- trometer (SA) zugeführt wird. Dort erfolgt die Messung der Intensität entweder in Abhängigkeit von einer durch geeignete optische Mittel erzeugten Variation der optischen Weglänge in einem der Arme oder in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Abbildung 1 , oben, zeigt exemplarisch ein Interferogramm (Ml), wie es prinzipiell von einer Anordnung gemäß der „optical coherence-domain reflectometry" (OCDR) gemessen werden kann. Die Abszisse (x) repräsentiert die am Interferometer jeweils eingestellte Differenz der optischen Weglängen, die Ordinate (I) die Intensität des gemessenen Signals. Die in der Zeichnung dargestellten Ausbrüche schneller Modulation repräsentieren dann jeweils Reflexionen aus dem Inneren der Probe und erlauben so Rückschlüsse auf die innere Struktur der Probe.
Abbildung 1 , mitte, zeigt exemplarisch ein Spektrogramm (MS), wie es prinzipiell von einer Anordnung gemäß der „optical fourier-domain reflectometry" bzw. „spec- tral OCT" (S-OCT) gemessen werden kann. Die Abszisse (λ) repräsentiert die Wellenlänge, die Ordinate (I) die Intensität des bei der jeweiligen Wellenlänge gemes- senen Signals. Die in der Zeichnung dargestellte Modulation des Signals repräsentiert eine Superposition verschiedener, für die jeweiligen optische Weglängendifferenzen charakteristischer Modulationen. Die jeweiligen Anteile dieser Modulationen können durch numerische Fourier-Transformation der Messung getrennt werden und repräsentieren dann jeweils Reflexionen aus dem Inneren der Probe und erlauben so Rückschlüsse auf die innere Struktur der Probe.
Abbildung 1 , unten, zeigt exemplarisch eine Serie von Spektrogrammen (MAS) wie sie von von einer Anordnung gemäß der „optical fourier-domain reflectometry" bzw. „spectral OCT" (S-OCT) etwa unter Verwendung eines abbildenden Spektrometers gemessen werden kann, Die einzelnen Signale entsprechen dem in Abbildung 1 , mitte, gezeigten Spektrogramm (MS). Die Abszisse (λ) repräsentiert die Wellenlänge, die Ordinate (I) die Intensität des bei der jeweiligen Wellenlänge gemessenen Signals. Die zusätzliche Koordinate (n) ist die Laufnummer der jeweiligen Einzelmessung. Unter Verwendung z.B. eines abbildenden Spektrometers können Anordnungen für die „spectral OCT" gleichzeitig ein Signal von mehreren Punkten der Probenoberfläche, etwa entlang einer Linie, erfassen. Dies erlaubt eine entsprechend schnellere Abtastung der Probe, wenn diese an mehr als einer Stelle untersucht werden soll.
Die Abbildungen 2 und 3 illustrieren Geräte auf Basis der optical coherence-domain reflectometry: Abbildung 2 zeigt die klassische Anordnung auf Basis eines Michel- son Interferometers, Abbildung 3 die übliche Anordnung unter Verwendung von Lichtleitern.
Die Anordnungen verwenden eine spektral breitbandige Lichtquelle (BQ) und einen einfachen Detektor (D).
Eine prinzipielle Anordnung nach Abbildung 2 verwendet eine Linse (L1) um das Licht aus der genannten Lichtquelle (BQ) zunächst zu kollimieren. Der resultierende Lichtstrahl wird durch einen Strahlteiler (T) zunächst auf den Referenz-Arm, zu einem Spiegel (S)1 sowie auf den Mess-Arm, via einer fokussierenden Optik (L2) zur Probe, aufgeteilt. Das Licht aus beiden Armen wird zum Strahlteiler (T) zurück reflektiert, dort wieder überlagert und erzeugt am Detektor ein weglängenabhängiges Interferenzsignal. In der Regel zusätzlich eingesetzte Blenden und Raumfilter werden in der Zeichnung nicht gezeigt.
Bei einer Anordnung nach Abbildung 3 wird das Licht in optischen Fasern (F) geführt. Das Licht aus der genannten Quelle (BQ) erreicht zunächst einen faseroptischen Strahlteiler (T), welcher das Licht auf den Referenz-Arm, via einer kollimie- renden Linse (L4) zu einem Spiegel (S)1 sowie auf den Mess-Arm, via einer fokus- sierenden Optik (L2) zur Probe, aufteilt. Das vom Spiegel (S) bzw. der Probe (P) reflektierte Licht wird über die genannte Linse (L4) bzw. die genannte fokussieren- de Optik (L2) zurück in die Fasern geleitet, im Strahlteiler (T) wieder überlagert und schließlich über eine kollimierende Linse (L3) dem Detektor (D) zugeführt, welcher das weglängenabhängige Interferenzsignal aufnimmt.
Anordnungen gemäß den Abbildungen 2 oder 3 verfügen weiter über eine elektronische Steuerung und Messeinrichtung (C), welche einen Aktuator (A) ansteuern kann, der die optische Weglänge im Referenzarm verändert und die jeweils am Detektor gemessene Intensität aufnimmt, dergestalt, dass ein Interferogramm (Ml) gemessen wird, dass die am Detektor anliegende Intensität in Abhängigkeit von der Weglängendifferenz aufzeigt.
Die Abbildungen 4 und 5 illustrieren Geräte auf Basis der optical fourier-domain reflectometry (FD-OCT) bzw. spectral OCT (S-OCT): Abbildung 4 zeigt die klassische Anordnung auf Basis eines Michelson Interferometers, Abbildung 5 die übliche Anordnung unter Verwendung von Lichtleitern.
Die Anordnungen verwenden eine spektral breitbandige Lichtquelle (BQ) und für die Messung ein optisches Spektrometer (SA).
Eine prinzipielle Anordnung nach Abbildung 4 verwendet eine Linse (L1) um das Licht aus der genannten Lichtquelle (BQ) zunächst zu kollimieren. Der resultierende Lichtstrahl wird durch einen Strahlteiler (T) zunächst auf den Referenz-Arm, zu einem Spiegel (S)1 sowie auf den Mess-Arm, via einer fokussierenden Optik (L2) zur Probe, aufgeteilt. Das Licht aus beiden Armen wird zum Strahlteiler (T) zurück reflektiert, dort wieder überlagert und über ein geeignetes optisches Element (L3) in das genannte Spektrometer geführt. In der Regel zusätzlich eingesetzte Blenden und Raumfilter werden in der Zeichnung nicht gezeigt.
Bei einer Anordnung nach Abbildung 5 wird das Licht aus der genannten Quelle (BQ) in einer optischen Faser (F) zu einem faseroptischen Strahlteiler (T) geführt, welcher das Licht auf den Referenz-Arm, via einer kollimierenden Linse (L4) zu einem Spiegel (S), sowie auf den Mess-Arm, via einer fokussierenden Optik (L2) zur Probe, aufteilt. Das vom Spiegel (S) bzw. der Probe (P) reflektierte Licht wird über die genannte Linse (L4) bzw. die genannte fokussierende Optik (L2) zurück in die Fasern geleitet, im Strahlteiler (T) wieder überlagert und schließlich über eine weitere Faser (F) in das genannte Spektrometer geführt.
Das Spektrometer in Anordnungen gemäß den Abbildungen 2 oder 3 kann dann ein Spektrogramm (MS) aufnehmen, welches in der beschriebenen Weise Strukturen der Probe repräsentiert..
Anstelle der breitbandigen Lichtquelle und des Spektrometers kann natürlich auch eine spektral schnell scannende Licht quelle (swept source) (SS-FD-OCT) eingesetzt werden. Mit der Verfügbarkeit schnell scannender abstimmbarer Laser gewinnt diese Variante derzeit zunehmend an Bedeutung.
Abbildung 6 zeigt den typischen Aufbau unter Verwendung einer swept source. Die resultierende Messung ist wiederum ein Spektrogramm i.e. gemessen wird die Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
Bei einer Anordnung nach Abbildung 5 wird das Licht aus der genannten spektral variablen Quelle (SQ) in einer optischen Faser (F) zu einem faseroptischen Strahlteiler (T) geführt, welcher das Licht auf den Referenz-Arm, via einer kollimierenden Linse (L4) zu einem Spiegel (S), sowie auf den Mess-Arm, via einer fokussierenden Optik (L2) zur Probe, aufteilt. Das vom Spiegel (S) bzw. der Probe (P) reflektierte Licht wird über die genannte Linse (L4) bzw. die genannte fokussierende Optik (L2) zurück in die Fasern geleitet, im Strahlteiler (T) wieder überlagert und schließlich über eine kollimierende Linse (L3) dem Detektor (D) zugeführt, welcher das Interferenzsignal in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge aufnimmt.
Die Anordnungen verfügt über eine elektronische Steuerung und Messeinrichtung (C), welche die Lichtquelle steuern kann und die jeweils am Detektor gemessene Intensität aufnimmt, dergestalt, dass ein Spektrogramm (MS) gemessen wird, dass die am Detektor anliegende Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufzeigt.
Verschiedenen Varianten der Aufbauten können die Leistungsfähigkeit dieser Anordnungen erhöhen bzw. den technischen Aufwand senken.
Abbildung 7 zeigt als Beispiel eine OCT Anordnung auf Basis der optical fourier- dömain reflectometry unter Verwendung eines bildgebenden Spektrometers. Hier wird eine Quelle zunächst linienförmig auf die Probe und dann auf den Eintrittsspalt des Spektrometers abgebildet. Somit kann bereits durch eine Messung ein Tiefenprofil entlang der genannten Linie aufgenommen werden.
Das Lischt der gezeigten breitbandige Quelle (BQ) wird zunächst durch eine Linse (L1) kollimiert. Der resultierende Lichtstrahl wird durch einen Strahlteiler (T) zunächst auf den Referenz-Arm, zu einem Spiegel (S), sowie auf den Mess-Arm, via einer zylindrischen Linse (ZL2) zur Probe, aufgeteilt. Die Probe wird somit entlang einer Linie beleuchtet. Das Licht aus beiden Armen wird zum Strahlteiler (T) zurück reflektiert, dort wieder überlagert und durch geeignete optische Elemente (ZL3) auf den Eintrittsspalt eines abbildenden Spektrometers (ASA) projiziert. Das Spektro- meter nimmt somit eine Vielzahl von Spektren (MAS) für Punkte entlang der genannten Linie auf. In der Regel zusätzlich eingesetzte Blenden und Raumfilter werden in der Zeichnung nicht gezeigt. Abbildung 8 zeigt als weiteres Beispiel eine Variation des Interferometers als „Common Path" Interferometer, d.h. Referenzpfad und Probenpfad sind teilweise überlagert.
Die Anordnungen verwendet eine spektral breitbandige Lichtquelle (BQ) und für die Messung ein optisches Spektrometer (SA).
Bei einer Anordnung nach Abbildung 8 wird das Licht aus der genannten Quelle (BQ) in einer optischen Faser (F) zu einem faseroptischen Strahlteiler (T) geführt, wobei jedoch nur ein Ausgang tatsächlich verwendet wird. Das Licht wird über ein geeignetes optisches System (L2) auf die Probe sowie einen unmittelbar vor der Probe positionierten teildurchlässigen Spiegel (TS) fokussiert. Das vom Spiegel (TS) bzw. der Probe (P) reflektierte Licht wird über das genannte optische System (L2) in die Fase (F) geleitet und über den Strahlteiler (T) teilweise in das genannte Spektrometer (SA) geleitet. Das Spektrometer kann dann ein Spektrogramm (MS) aufnehmen, welches in der beschriebenen Weise Strukturen der Probe repräsentiert.
Die ansonsten sehr kompakte und robuste Anordnung hat den Nachteil, dass sich die Probe in unmittelbarer Nähe oder in Kontakt mit einem als Referenzoberfläche verwendeten Spiegel befinden muss.
Alle Anordnungen zur OCT auf Basis der optical coherence-domain reflectometry haben den Nachteil, dass bewegliche optische Elemente erforderlich sind, welche die optische Weglänge des Referenzarms modulieren. Da diese Elemente Teil des Interferometers sind, ist eine hohe mechanische Präzision und entsprechender technischer Aufwand erforderlich. Weiter haben die Geräte den Nachteil, dass bedingt durch die mechanische Bewegung jede Messung eine gewisse Zeit erfordert, was bei biologischen i.e. beweglichen Proben zu Artefakten in der Messung führen kann. Grundsätzlich erlauben derartige Anordnungen nur eine Messung der Intensität des gemessenen Interferenzsignals, die Phaseninformation geht verloren. Da diese Anordnungen nicht spektral auflösen, sind sie weiter empfindliche gegenüber Artefakten verursacht durch die spektrale Dispersion der Weglänge im Inneren einer Probe.
Je nach Art des verwendeten optischen Spektrometers kommen die Anordnungen zur spectral-OCT auf Basis der optical fourier-domain reflectometry zwar ohne bewegliche Teile aus, haben aber ebenfalls den prinzipiellen Nachteil, dass im gemessen Spektrum grundsätzlich die Phaseninformation des ursprünglichen Interfe- rogramms fehlt. Dies erschwert die Auswertung komplexer Tiefenprofile und die Korrektur von Artefakten, bedingt etwa durch die spektrale Dispersion der optischen Weglänge im Inneren einer Probe.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen zeichnen sich dadurch aus, dass die Phaseninformation des gemessenen Interferenzsignals genutzt werden kann. Dies geschieht entweder bereits optisch direkt am Detektor oder die gemessene Phaseneinformation wird für eine numerische Auswertung zur Verfügung gestellt. Die numerische Auswertung kann dann die Phaseninformation für eine Bestimmung etwa der Dispersion im Inneren der Probe nutzen. Damit kann sowohl die Ortsauflösung verbessert werden als auch zusätzlich Information über die Materialeigenschaften im Inneren der Probe gewonnen werden.
Im Gegensatz zur OLCT (Optical Low Coherence Tomography) welche nur das Interferenzsignal über die kurze Kohärenzlänge der verwendeten Lichtquelle nutzt, kann das hier vorgestellte Verfahren, für das die Bezeichnung OFCT (Optical Füll Coherence Tomography) vorgeschlagen wird, durch Nutzung der Phaseninformation wesentlich mehr Information ausnutzen.
Ziel der Erfindung ist ein Verfahren, welches im Gegensatz zur konventionellen OCT ( OCDR) oder der spectral-OCT (S-OCT, FD-OCT) eine Messung zusätzlicher Information über die Phasenlage der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen bzw. die spektral aufgelöste Rekonstruktion der Phaseninformation des Interferogramms erlaubt und damit auch zusätzliche Information über die spektrale Dispersion im Inneren der Probe liefern kann.
Ziel der Erfindung sind weiter die dem Verfahren entsprechenden neuartigen Anordnung zur OCT welche die Phaseninformation berücksichtigen und nach Möglichkeit ohne bewegliche Teile auskommen.
Da das Verfahren nicht auf die Verwendung bestimmter Typen von Interferometern angewiesen ist, ergibt sich eine ganze Reihe unterschiedlicher erfindungsgemässer Anordnungen, welche das erfindungsgemäße Verfahren implementieren.
Einige besonders vorteilhafte Varianten werden im Folgenden beschrieben.
Die Kombination des erfindungsgemäßen neuartigen Verfahrens und der entsprechenden neuartigen Anordnungen mit geeigneten Verfahren zur numerischen Auswertung der Messungen führt zu einer neuartigen Methode, welche im folgenden als Optical Füll Coherence tomography (OFCT) bezeichnet werden soll.
Dieses Verfahren erlaubt durch die spektral aufgelöste Messung der Weglänge insbesondere auch die spektral aufgelöste Messung des Brechungsindex im Inneren der Probe. Dies wiederum ermöglicht nicht nur die entsprechende Korrektur von dispersionsbedingten Artefakten. Die spektral aufgelöste Messung des Brechungsindex bzw. der spektralen Dispersion kann überdies ortsauflösend Anhaltspunkte über die chemische Zusammensetzung im Inneren der Probe geben. Insbesondere ist diese Messung der spektralen Dispersion unabhängig von durch Streuung und Absorption im inneren der Probe verursachten Intensitätsverlusten.
Einige der neuartigen Anordnungen zur OFCT basieren auf spektral dispersiven Interferometern, i.e. Interferometern welche spektral winkel-dispersive optische Elemente wie Beugungsgitter oder Prismen umfassen sowie einen ortsauflösenden Detektor, welcher das resultierende Interferogramm aufnimmt. Bei der Verwendung winkel-dispersiven Elemente im Strahlengang des Interferometers entsteht an ei- nem ortsauflösenden Detektor eine vom Ort abhängige Weglängendifferenz der zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen. Daher kann unmittelbar ein entsprechendes Interferogramm aufgenommen werden.
Das OFCT Verfahren verwendet ein Interferometer mit einem Referenzarm bzw. Referenzpfad und einem Messarm bzw. Messpfad. Gemessen wird ein spektral aufgelöstes Interferogramm derart, dass für eine geeignete Anzahl von Stützpunkten sowohl die Intensität des Lichts aud sem Probenpfad bezogen auf das Licht aus dem Referenzpfad als auch eine relative Phasenlage des Lichtes aus dem Probenpfad bezogen auf den Referenzpfad jeweils in Abgängigkeit von der Wellenlänge gemessen werden kann.
Anspruch 1 beschreibt allgemein die beiden Ausführungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Verfahren in den Schritten (a) bis (f):
(a) Zunächst ist eine räumlich kohärente aber spektral breitbandige Lichtquelle erforderlich. Insoweit die Lichtquelle nicht bereits eine einzelnen räumliche Mode erzeugt, wie etwa ein Laser, kann die räumliche Kohärenz durch ein Raumfilter erreicht werden. Es bietet sich in diesem Kontext an .Teile der Lichtwege in mono- mode Glasfasern zu führen. Die Einkopplung des Lichts in eine mono-mode Glasfaser schränkt das Licht ebenfalls auf einen einzelnen räumlichen Mode ein.
Die Überdeckung eines breiten spektralen Bereichs kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden: Die Lichtquelle kann von vorneherein ein breitbandiges Spektrum generieren, wie etwa eine Superlumineszenzdiode, oder eine primär schmal- bandige Lichtquelle wird über einen spektralen Bereich gescannt, wie etwa ein Laser mit einstellbarer Wellenlänge.
Im ersten Fall werden alle Wellenlängen innerhalb eines spektralen Bereichs gleichzeitig abgestrahlt im zweiten Fall über einen zeitlichen Verlauf nacheinander. Es muss sich nicht notwendigerweise um ein Kontinuum an Wellenlängen handeln. Weitere Varianten, etwa die Überlagerung einer Vielzahl einzelner Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen, sind ebenfalls möglich.
(b) Das als einzelne räumliche Mode erzeugte Licht wird durch einen Strahlteiler auf zwei Pfade aufgeteilt. Sowohl für die Teilung auf die beiden Pfade als auch für die später Überlagerung ist technisch entweder eine Teilung bzw. Überlagerung der Amplitude, etwa durch einen teildurchlässigen Spiegel, als auch - bei aufgeweitetem Strahl - eine Teilung bzw Überlagerung der Wellenfront möglich. Die Verwendung von Wellenfront-Teilern kann Verluste vermeiden.
Die beiden optischen Pfade werden im weiteren als Referenzpfad und Probenpfad bezeichnet.
Gegebenenfalls ist es vorteilhaft Elemente der integrierten Optik oder Lichtwellenleiter, etwa mono-mode Glasfasern, zur Teilung bzw. Führung des Lichtes zu verwenden.
(c) Die zu vermessende Probe wird im Probenpfad dergestalt angeordnet, dass Licht, welches von der Probe oder Strukturen im Inneren der Probe reflektiert oder gestreut wird, aufgefangen und weiter geführt wird.
(d) Ein kennzeichnendes Element des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass für die Messung von Intensität und relativer Phasenlage des Lichtes aus dem Referenzpfad mehrere und gegebenenfalls ein Vielzahl von Detektoren bzw. Detektorelementen verwendet werden. Licht aus dem Referenzpfad und dem Probenpfad wird dabei an den jeweiligen Detektoren bzw. Detektorelementen nach passieren jeweils unterschiedlicher optischer Weglängen überlagert. Die resultierenden Interferenzsignale erlauben somit eine Bestimmung von sowohl der Intensität als auch der relativen Phasenlage des Lichtes aus dem Probenpfad bezogen auf das Licht aus dem Referenzpfad. In der Regel zeigt das Licht aus dem Referenzpfad an den Detektoren höhere Intensität als das Licht aus dem Probenpfad. Das Licht aus dem Probenpfad führt dann durch konstruktive oder destruktive Interferenz zu einer von der Wellenlänge abhängigen Modulation der Intensität an den einzelnen Detektoren bzw. Detektorelementen.
Bei einer kontinuierlich spektral scannenden Lichtquelle genügen bereits 2 Detektoren bzw. Detektorelemente, um sowohl Intensität als auch relative Phasenlage des Lichtes aus dem Probenpfad bezogen auf den Referenzpfad zu bestimmen. Technisch günstiger sind die dargestellten Anordnungen mit 4 Detektoren, welche die Bestimmung eines Quadratur-Signals erlauben.
Vorteilhaft ist auch die Verwendung eines Detektor-Arrays mit einer Vielzahl von Detektorelementen und systematischer Variation der Weglängendifferenzen mit denen Licht aus dem Referenzarm und aus dem Probenarm an den einzelnen Detektorelementen zur Überlagerung gebracht werden. In diesem Fall messen die Detektoren ein Interferenzmuster welches direkt auf Intensität und relative Phasenlage des Lichtes aus dem Probenarm bezogen auf den Referenzarm schliessen lässt.
(e) Die Aufnahme und Auswertung der Überlagerungen von Licht aus dem Referenzarm und Licht aus dem Probenarm mit dem Ziel, Weglängendifferenzen bzw. ein OCT Signal zu bestimmen, kann unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Anordnung erfolgen, indem die von der Wellenlänge abhängigen Intensitäten an den Detektoren unter Berücksichtigung der relativen Phasenlage für alle verwendeten Wellenlängen überlagert werden. Grundsätzlich stehen hier zwei Mlöglichkeiten zur Verfügung: Die Intensitäten können für alle Wellenlängen einzeln gemessen und dann die Messergebnisse der verschiedenen Detektoren numerisch überlagert werden, oder die Intensitäten können bereits optisch überlagert werden und es werden dann direkt die Intensitäten der Überlagerung an den jeweiligen Detektoren gemessen. Im Hauptanspruch werden beide Möglichkeiten alternativ beschrieben:
(e1) Entweder werden die Intensitäten für alle Wellenlängen bereits optisch an den Detektoren überlagert i.e. über alle verwendeten Wellenlängen aufsummiert und dann durch die Detektoren die Summe dieser Intensitäten gemessen, um zu einem Datensatz zu gelangen. Dieses Verfahren bietet sich insbesondere bei der Verwendung einer Vielzahl von Detektoren bzw. Detektorelementen eines Detektor- Arrays an und der Verwendung einer spektral breitbandigen Lichtquelle.. (e2) Oder es werden zunächst die Lichtintensitäten an den einzelnen Detektoren bzw. Detektorelementen in Abhängigkeit von der Wellenlänge gemessen, wobei in Abhängigkeit von der Wellenlänge jeweils sowohl eine Intensität als auch eine relative Phasenlage des Lichtes aus dem Messpfad bezogen auf den Referenzpfad bestimmbar sind, und es erfolgt dann eine numerische Überlagerung dieser Messungen unter Berücksichtigung der gemessenen Phasenlage, um einen Datensatz zu erhalten.
Während die optische Überlagerung (e1) der Intensitäten sehr schnell und mit wenig Aufwand zu bewerkstelligen ist, hat die numerische Überlagerung (e2) der Messungen den grossen Vorteil, dass Korrekturen der Phasenlage in Abhängigkeit von der Wellenlänge, etwa zum Ausgleich einer spektralen Dispersion möglich sind.
Iterative Algorithmen zur Ermittlung derartiger Korrekturen können damit insbesondere auch ortsauflösend die spektrale Dispersion im Inneren der Probe schätzen und damit ggf. ortsauflösend Auskunft über die chemische Beschaffenheit der Probe geben.
(f) Eine weitere numerische Auswertung und Darstellung des gewonnenen Datensatzes erlaubt Rückschlüsse auf sowohl räumliche Position als auch Stärke der Reflektion bzw. Streuung der Probe bzw. der Strukturen im Inneren der Probe.
Das neue Verfahren basiert wesentlich darauf, dass für die aus der Überlagerung des Lichts aus Referenzpfad und Probenpfad entstehende Interferenz nicht nur - wie bei Geräten gemäß dem Stand der Technik - in Abhängigkeit von der Wellenlänge die Intensität sondern gleichzeitig auch in Abhängigkeit von der Wellenlänge die relative Phasenlage gemessen werden kann. Die optische oder numerische Überlagerung der Interferenzsignale aller Wellenlängen erfolgt dann unter Berücksichtigung der jeweiligen Phasenlage.
Das neuartige Verfahren kann daher durch verschiedenartige neuartige Anordnungen realisiert werden. Die in der Folge spezifizierten Anordnungen können in verschiedene Gruppen eingeteilt werden:
Einerseits Varianten der Anordnung, welche gemäß Verfahrensschritt Variante (e1) zunächst eine optischen Überlagerung der Lichtintensitäten an den Detektoren bzw. Detektorelementen für alle Wellenlängen erzeugen und dann die Messung der jeweiligen Intensitäten dieser Überlagerung durch die jeweiligen Detektoren bzw. Detektorelemente vornehmen um einen Datensatz zu erhalten.
Andererseits die Varianten, welche gemäß Verfahrensschritt Variante (e2) zunächst die Messung der Lichtintensitäten an den Detektoren bzw. Detektorelementen in Abhängigkeit von der Wellenlänge vornehmen, wobei in Abhängigkeit von der Wellenlänge jeweils sowohl eine Intensität als auch eine relative Phasenlage des Lichtes aus dem Messpfad bezogen auf den Referenzpfad bestimmbar ist, und dann eine numerische Überlagerung dieser Messungen vornehmen, um einen Datensatz zu erhalten.
Erfindungsgemäße Anordnungen aus beiden Gruppen können jeweils weiter unterteilt werden in einerseits die Anordnungen welche breitbandige Lichtquellen verwenden und diejenigen, welche eine scannende Lichtquelle verwenden.
Und die erfindungsgemäßen Anordnungen können jeweils weiter unterteilt werden in einerseits Anordnungen, welche wenige einzelne Detektoren verwenden und Anordnungen welche eine Vielzahl Detektoren oder insbesondere ein Detektor-Array mit eine Vielzahl von Detektorelementen verwenden. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich durch unterschiedliche Varianten der zugrunde liegenden interferometrischen Anordnung. Die Aufteilung der Lichtes in einen Probenpfad und einen Referenzpfad und die anschliessende Überlagerung an den Detektoren realisiert ein Interferometer, dass nach Art eines Michelson In- terferometers mit einem gemeinsamen Strahlteiler für Teilung und Überlagerung der Arme oder nach Art eines Mach-Zehnder-Interferometers mit unabhängigen Strahlteilern für Teilung und Überlagerung der Pfade ausgeführt werden kann.
Die Wahl andere interferometrischen Anordnungen ist aber ebenfalls möglich, insbesondere ist die Verwendung eines Beugungsgitters als Strahlteiler interessant sowie Anordnungen mit Strahlteilern welche eine Teilung der Wellenfront anstelle einer Teilung der Amplitude realisieren.
Die erfindungsgemässen Anordnungen zur Anwendung des neuartigen erfindungs- gemässen Verfahrens unterscheiden sich von den konventionellen Anordnungen grundsätzlich dadurch, dass mehrere oder eine Vielzahl von Detektoren bzw. Detektorelementen eines Array-Detektors Verwendung findet an denen Licht aus Referenzpfad und Probenpfad mit jeweils unterschiedlichen relativen Weglängen zur Interferenz gebracht wird. Derartige Detektoranordnungen erlauben somit die Bestimmung von sowohl Intensität als auch relativer Phasenlage des Lichtes aus dem Probenarm bezogen auf das Licht aus dem Referenzarm.
Im Falle der Verwendung von Detektoren mit einer Vielzahl einzelner Detektorelementen (Detektor-Arrays) ergeben sich besonders interessante Anordnungen durch die Verwendung zusätzlicher spektral dispersiver Elemente welche die relative Phasenlage des Lichts aus dem Referenzarm bezogen auf den Probenarm an den jeweiligen Detektorelementen systematisch in Abhängigkeit von der Wellenlänge variieren. Weitere Möglichkeiten ergeben sich in diesem Kontext durch die Verwendung geeigneter Amplituden- oder Phasenmasken, welche den Nachweis der Interferenz Signale erleichtern können.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnungen werden anhand der verschiedenen in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.:
Abbildung 9 zeigt zunächst die verschiedenen Varianten der Messsignale, welche die erfindungsgemäßen Anordnungen liefern.
Abbildung 10 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit spektral scannender Lichtquelle und unter Verwendung mehrere Detektoren zur Ermittlung der Phasenlage des für die jeweilige Wellenlänge gemessenen Signals.
Abbildung 11 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit spektral scannender Lichtquelle und unter Verwendung eines Detektorarrays zur Aufnahme eines Inter- ferogramms für die jeweilligen Wellenlängen, anhand dessen dann die Phasenlage des gemessenen Signals für die jeweiligen Wellenlängen bestimmt werden kann.
Abbildung 12 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung vergleichbar mit Abbildung 11 unter zusätzlicher Verwendung spektral dispersiver optischer Elemente, welche die Phasenvariation erhöhen und damit die Auflösung verbessern.
Abbildung 13 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit spektral scannender Lichtquelle und unter Verwendung mehrere Detektoren zur Ermittlung der Phasenlage des für die jeweilige Wellenlänge gemessenen Signals. Die gezeigte Verwendung von faseroptischen Elementen bzw. Elementen integrierter Optik sowohl zur Führung des Lichts als auch zur interferometrischen Überlagerung kann technisch vorteilhaft sein. Abbildung 14 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit spektral scannender Lichtquelle und unter Verwendung eines Detektorarrays zur Aufnahme eines Inter- ferogramms für die jeweilligen Wellenlängen vergleichbar Abbildung 11 , jedoch unter vorteilhafter Verwendung faseroptischer Elemente.
Abbildung 15 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung entsprechend Abbildung 14 mit einer zusätzlich vor dem Detektor angebrachten optischen Maske, welche die Aufnahme der Phaseninformation vorteilhaft beeinflusst.
Abbildung 16 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung welche eine breitbandige Quelle (BQ) und ebenfalls eine Maske vor dem Detektor verwendet.
Abbildung 17 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit scannender Quelle (SQ) und einem Array-Detektor. Die zusätzliche Verwendung eines Beugungsgitters als spektral dispersivem optischen Element erhöht die Phasenvariation der abhängig von der Wellenlänge aufgenommenen Interferogramme und verbessert damit die Auflösung.
Abbildung 18 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung welche eine breitbandige Quelle (BQ), einen Array-Detektor und ebenfalls ein Beugungsgitter verwendet.
Abbildung 19 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung vergleichbar Abbildung 18, jedoch unter vorteilhafter Verwendung faseroptischer Elemente.
Abbildung 20 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung mit Beugungsgitter zur Erhöhung der Phasenvariation der Interferogramme und einer breitbandigen Quelle (BQ) jedoch wird eine ein zusätzliches spektral dispersives Element (G2) verwendet, dass die Wellenlängen am 2-dimensionalen Detektorarray trennt.
Die aufgeführten verschiedenen Varianten erfindungsgemäßer Anordnungen und Ihre Funktionsweise werden im Folgenden detaillierter beschrieben: Abbildung 9 oben (CS2) zeigt das Ergebnis einer Messung, wie sie etwa von erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß den Abbildungen 11 , 12, 14, 15, 17 oder 20 vorgenommen wird. Die Abszisse (x) entspricht der Position eines Detektorelements des Detektorarrays und repräsentiert eine optische Weglängendifferenz, die Ordinate (I) zeigt die Intensität des gemessenen Signals, die Vielzahl der Kurven entlang der zusätzlichen Koordinate (n) repräsentiert die Messungen bei unterschiedlichen Wellenlängen. Anhand der charakteristischen sinusoidalen Modulation der Signale ist für jede Wellenlänge sowohl die Intensität des Signals als auch eine relative Phasenlage bestimmt.
Gemäß Punkt e2 des Hauptanspruchs werden die Signale für jede Wellenlänge zunächst gemessen und dann erfolgt eine numerische, gewichtete Überlagerung aller Kurven. Das Ergebnis der numerischen Überlagerung ist eine Kurve, wie in Abbildung 9 unten (CS3) gezeigt. Die jeweils auftretenden Modulationen einer derartigen Kurve können durch eine Hilbert-Transformation quantifiziert und entsprechenden Reflektionen aus dem Inneren der Probe zugeordnet werden.
Abbildung 9 mitte (CS1) zeigt das Ergebnis einer Messung, wie sie etwa von erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß den Abbildungen 10 oder 13 vorgenommen wird. Die obere Kurve zeigt die Gesamt-Intensität des gemessenen Signals (l)in Abhängigkeit von der Wellenlänge (λ), die untere Kurve die zugehörige relative Phasenlage (P). Die Abszisse beider Kurven entspricht der Wellenlänge (λ), Die Ordinate in der oberen Kurve (I) repräsentiert die gemessene Intgensität. Die Ordinate der unteren Kurve eine relative Phasenlage (P) im Bereich 0° - 360° bzw. 0 - 2π. Damit steht in Abhängigkeit von der Wellenlänge ein komplexwertiges Signal in Kreiskoordianten zur Verfügung. Die Werte können für die jeweilige Wellenlänge jeweils direkt anhand der verschiedenen Detektor-Signale bestimmt werden indem die Signale der Detektoren zunächst zu einem Quadratursiganl zusammengefasst werden.
Anhand der Messungen können gegebenenfalls eine Vielzahl Kurven entsprechend Abbildung 9 oben (CS2) rekonstruiert und durch Überlagerung und nachfolgende Hilbert-Transformation wie eben beschrieben Reflektionen aus dem Inneren der Probe bestimmt werden.
Abbildung 9 unten (CS3) zeigt das Ergebnis einer Messung, wie sie etwa von erfindungsgemäßen Anordnungen gemäß den Abbildungen 16, 18 oder 19 vorgenommen wird. Die zunächst als optische Interferenz für unterschiedliche Wellenlängen erzeugten Intensitätsverteilungen entsprechend Abbildung 9 oben (CS2) werden in Anordnungen gemäß den Abbildungen 16, 18 oder 19, und gemäß dem Punkt e1 des Hauptanspruchs bereits optisch zu einem Summensignal überlagert und dann wird dieses Überlagerung gemessen. Die Abszisse (x) repräsentiert eine Weglängendifferenz, die Ordinate (I) die Intensität des jeweils gemessenen Summensignals der Interferogramme für die verschiedenen Wellenlängen für die jeweilige Weglängendifferenz. Mit Hilfe einer numerischen Hilbert-Transformation können dann wie eben beschrieben Reflektionen aus dem Inneren der Probe bestimmt werden.
Die Abbildungen 10 und 11 zeigen zwei einfache erfindungsgemäße Anordnungen, Abbildung 1) auf Basis eines Spektrometers, Abbildung 11 auf Basis einer scannenden Lichtquelle.
Bei einer Anordnung nach Abbildung 10 wird das Licht aus einer spektral variablen Quelle (SQ) zunächst durch geeignete optische Element (L1) kollimiert und passiert eine Maske (W), welche als Wellenfront-Teiler fungiert und den Lichtstrahl in zwei räumlich getrennte Teilstrahlen teilt. Unter Verwendung eines gemeinsamen Strahlteilers (T1) wird einer der genannten beiden Teilstrahlen als Referenz-Arm zu einem Spiegel (S) geführt, der andere als Mess-Arm, via einer fokussierenden Optik (L2) zur Probe (P) geführt. Das vom Spiegel (S) bzw. der Probe (P) reflektierte Licht wird wieder über den genannten Strahlteiler (T1) und im Falle des Probenarms über einen Umlenkspiegel (S2) zu einem weiteren Strahlteiler (T2) geführt. Der Referenzstrahl wird zusätzlich räumlich geteilt und passiert zu einem Teil eine Phasenschieber Platte, welche die optische Weglänge um rund 1/4 Wellenlänge verzögert. Der genannte zweite Strahlteiler (T2) bringt die dann resultierenden 4 Teilstrahlen an den 4 Detektoren (D1 , D2, D3, D4) zur Interferenz.
Die Anordnungen verfügt über eine elektronische Steuerung und Messeinrichtung (C), welche die Lichtquelle steuern kann und die jeweils an den Detektoren gemessenen Intensitäten aufnehmen und numerisch zu einem Quadratur-Signal überlagern kann, dergestalt, dass in Abhängigkeit von der Wellenlänge sowohl die Intensität als auch eine relative Phasenlage für das Licht aus dem Referenzarm bestimmt werden kann (CS1).
Bei einer Anordnung nach Abbildung 11 oder 12 wird das Licht aus einer spektral variablen Quelle (SQ) zunächst durch geeignete optische Element (L1) kollimiert und passiert eine Maske (W), welche als Wellenfront-Teiler fungiert und den Lichtstrahl in zwei räumlich getrennte Teilstrahlen teilt. Unter Verwendung eines gemeinsamen Strahlteilers (T1) wird einer der genannten beiden Teilstrahlen als Referenz-Arm zu einem Spiegel (S) geführt, der andere als Mess-Arm, via einer fo- kussierenden Optik (L2) zur Probe (P) geführt. Das vom Spiegel (S) bzw. der Probe (P) reflektierte Licht wird wieder über den genannten Strahlteiler (T1) zu entweder gemäß Abbildung 11 jeweils einen weiteren Spiegel (S2, S3), oder gemäß Abbildung 12 zu einem Biprisma geführt. In der Folge wird das Licht aus dem Messarm und das Licht aus dem Probenarm auf einem Detektorarray überlagert welcher das resultierende Interferenzsignal aufnehmen kann.
Die Anordnungen verfügt über eine elektronische Steuerung und Messeinrichtung (C), welche die Lichtquelle steuern und das Detektorarray derart auslesen kann, daß Interferenzsignale für jeweils unterschiedliche Wellenlängen aufgenommen werden können (CS2).
Die im Falle einer Anordnung nach Abbildung 12 durch das verwendete Biprisma (BP) verursachte spektrale Dispersion führt zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung der Signale und erhöht die Tiefenauflösung der Anordnung. Bei einer Anordnung unter Verwendung optischer Fasern (F) nach Abbildung 13 wird das Licht aus einer spektral variablen Quelle (SQ) zunächst durch einen faseroptischen Strahlteiler (T1) auf einen Messpfad und einen Referenzpfad aufgeteilt. Der Messpfad führt über einen zweiten faseroptischen Strahlteiler (T2) zu einer Projektionsoptik (L1) welche das Licht auf die Probe fokussiert sowie das von der Probe reflektierte Licht auffängt und zurück in die Faser leitet. Über den genannten zweiten Strahlteiler (12) wird das Licht dann in einen faseroptischen Mischer (Q) geführt. Der Referenzpfad führt über einen dritten faseroptischen Strahlteiler (T3) und einen Kollimator (L2) zu einem Spiegel (S) welcher das Licht durch den genannten Kollimator zurück in die Faser spiegelt. Über den genannten dritten faseroptischen Strahlteiler (T3) wird das Licht dann ebenfalls in den genannten faseroptischen Mischer (Q) geführt. Der Mischer (Q) überlagert das Licht aus den beiden Armen mit jeweils unterschiedlichen Phasenverschiebungen an den Detektoren (D1 , D2, D3, D4). Die Anordnungen verfügt über eine elektronische Steuerung und Messeinrichtung (C), welche die Lichtquelle steuern kann und die jeweils an den Detektoren gemessenen Intensitäten aufnehmen und numerisch zu einem Quadratur-Signal überlagern kann, dergestalt, dass in Abhängigkeit von der Wellenlänge sowohl die Intensität als auch eine relative Phasenlage für das Licht aus dem Referenzarm bestimmt werden kann (CS1 ).
Bei einer Anordnung unter Verwendung optischer Fasern (F) nach Abbildung 14 wird das Licht aus einer spektral variablen Quelle (SQ) zunächst durch einen faseroptischen Strahlteiler (T1) auf einen Messpfad und einen Referenzpfad aufgeteilt. Der Messpfad führt über einen zweiten faseroptischen Strahlteiler (T2) zu einer Projektionsoptik (L1) welche das Licht auf die Probe fokussiert sowie das von der Probe reflektierte Licht auffängt und zurück in die Faser leitet. Über den genannten zweiten Strahlteiler (T2) wird das Licht zu einem Kollimator (L3) geführt. Der Referenzpfad führt über einen dritten faseroptischen Strahlteiler (T3) und einen Kollimator (L2) zu einem Spiegel (S) welcher das Licht durch den genannten Kollimator (L2) zurück in die Faser spiegelt. Über den genannten dritten faseroptischen Strahlteiler (T3) wird das Licht dann zu einem weiteren Kollimator (L4) geführt.. Die durch die beiden letztgenannten Kollimatoren (L3.L4) erzeugten Lichtstrahlen aus dem Proben- bzw. dem Referenzarm werden auf einem Detektorarray (DA) überlagert. Da die Strahlen nicht parallel sondern unter einem gewissen Winkel überlagert werden, resultiert für jedes Detektorelement des Detektorarrays eine unterschiedliche Weglängendifferenz der beiden Strahlen mit den daraus resultierenden unterschiedlichen Phasenverschiebungen des jeweiligen Interferenzsignals. Die Anordnungen verfügt über eine elektronische Steuerung und Messeinrichtung (C), welche die Lichtquelle steuern kann und die jeweils am Detektorarra gemessenen Intensitäten aufnehmen kann, dergestalt, dass aus der Messung (CS2) in Abhängigkeit von der Wellenlänge sowohl die Intensität als auch eine relative Phasenlage für das Licht aus dem Probenarmarm bezogen auf das Licht aus dem Referenzarm bestimmt werden kann.
Abbildung 15
Eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß Abbildung 15 arbeitet wie die oben beschriebene Anordnung gemäß Abbildung 14 jedoch ist vor dem Detektorarray zusätzlich eine Maske angeordnet. Die Maske trägt ein Streifenmuster wobei die Streifen senkrecht zu beiden optischen Achsen der genannten beiden Strahlen aus dem Messpfad und dem Referenzpfad stehen. Die Maske kann als Amplitudenoder als Phasen Maske ausgeführt werden., Die resultierende räumliche Modulation der Intensität am Detektor entsteht dann jeweils als Schwebung! zwischen den Raumfrequenz en der Interferenzmuster und der Raumfrequenz der Maske. Da diese Schwebungen eine wesentlich niedrigere Raumfrequenz zeigen als das Interferenzmuster selbst, benötigt der Detektor nur eine entsprechend geringere räumliche Auflösung.
Eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß Abbildung 16 arbeitet zunächst wie die oben beschriebene Anordnung gemäß Abbildung 15 jedoch wird hier eine breitban- dige Quelle (BQ) verwendet. In diesem Fall werden die Interferenzmuster für die verschiedenen Wellenlängen nicht einzeln gemessen und die entsprechende Ansteuerung der Lichtquelle entfällt. Statt dessen werden die jeweiligen Interferenzmuster für die verschiedenen Wellenlängen am Detektor inkohärent überlagert und es wird das entsprechende Summensignal gemessen (CS3). Bei einer Anordnung unter Verwendung optischer Fasern (F) nach Abbildung 17 wird das Licht aus einer spektral variablen Quelle (SQ) zunächst durch einen faseroptischen Strahlteiler (T1) auf einen Messpfad und einen Referenzpfad aufgeteilt. Der Messpfad führt über einen zweiten faseroptischen Strahlteiler (T2) zu einer Projektionsoptik (L1) welche das Licht auf die Probe fokussiert sowie das von der Probe reflektierte Licht auffängt und zurück in die Faser leitet. Über den genannten zweiten Strahlteiler (12) wird das Licht zu einem Kollimator (L3) geführt. Der Referenzpfad führt über einen dritten faseroptischen Strahlteiler (T3) und einen Kollimator (L2) zu einem Spiegel (S) welcher das Licht durch den genannten Kollimator (L2) zurück in die Faser spiegelt. Über den genannten dritten faseroptischen Strahlteiler (T3) wird das Licht dann zu einem weiteren Kollimator (L4) geführt.. Die durch die beiden letztgenannten Kollimatoren (L3.L4) erzeugten Lichtstrahlen aus dem Proben- bzw. dem Referenzarm werden auf einem der Maske aus vorigen Anordnung entsprechenden Beugungsgitter (G) dergestalt überlagert, dass die resultierenden beiden gebeugten Strahlen durch geeignete abbildende optische Elemente (L5.L6) auf ein Detektorarray (DA) abgebildet werden können.. Da die Strahlen nicht parallel sondern unter einem gewissen Winkel überlagert werden, resultiert für jedes Detektorelement des Detektorarrays eine unterschiedliche Weglängendifferenz der beiden Strahlen mit den daraus resultierenden unterschiedlichen Phasenverschiebungen des jeweiligen Interferenzsignals. Die spektrale Dispersion der beiden gebeugten Strahlen, i.e. die resultierende Variation des Winkels unter dem die Teilstrahlen am Detektor zur Interferenz gebracht werden repräsentiert die in den Anordnungen 15 und 16 durch die Maske (M) erzeugte räumliche Schwebung und unterstützt die Messung in entsprechender Weise. Eine optionale zylindrische Optik (Z) kann die resultierenden Interferenzmuster auf eine Brennlinie bündeln, so dass ein einfaches Zeilenarray als Detektor eingesetzt werden kann. Die Anordnung verfügt über eine elektronische Steuerung und Messeinrichtung (C), welche die Lichtquelle steuern kann und die jeweils am Detektorarray gemessenen Intensitäten aufnehmen kann, dergestalt, dass aus der Messung (CS2) in Abhängigkeit von der Wellenlänge sowohl die Intensität als auch eine relative Phasenlage für das Licht aus dem Probenarmarm bezogen auf das Licht aus dem Referenzarm bestimmt werden kann.
Eine technisch vorteilhafte Variante einer erfindungsgemäßen Anordnung zeigt Abbildung 18. Die Anordnung arbeitet mit einer breitbandigen Quelle (BQ) deren Licht durch geeignete optische Elemente (L1) kollimiert wird. Der resultierende Lichtstrahl wird durch einen Strahlteiler (T1) auf einen Messpfad und einen Referenzpfad aufgeteilt. Der Referenzpfad führt über einen weiteren Strahlteiler (T3) zunächst zu einem Spiegel (S). Der am genannten Spiegel reflektierte Strahl läuft zurück zu (T3) und wird über geeignete optische Elemente (S3) auf ein Beugungsgitter (G) geführt. Der Messpfad führt über einen weiteren Strahlteiler (T2) und fokus- sierende optische Elemente (L2) zur Probe (P). Das von der Probe reflektierte Licht zunächst zu einem Spiegel (S). Der am genannten Spiegel reflektierte Strahl läuft zurück zu (T3) und wird über geeignete optische Elemente (S3) ebenfalls auf das genannte Beugungsgitter (G) geführt. Die beiden genannten Strahlen aus Mess- und Referenzpfad werden am genannten Gitter (G) dergestalt überlagert, dass die resultierenden beiden gebeugten Strahlen durch geeignete abbildende optische Elemente (L3.L4) auf ein Detektorarray (DA) abgebildet werden können.. Da die Strahlen nicht parallel sondern unter einem gewissen Winkel überlagert werden, resultiert für jedes Detektorelement des Detektorarrays eine unterschiedliche Weglängendifferenz der beiden Strahlen mit den daraus resultierenden unterschiedlichen Phasenverschiebungen des jeweiligen Interferenzsignals. Die spektrale Dispersion der beiden gebeugten Strahlen, i.e. die resultierende Variation des Winkels unter dem die Teilstrahlen am Detektor zur Interferenz gebracht werden repräsentiert die in den Anordnungen 15 und 16 durch die Maske (M) erzeugte räumliche Schwebung und unterstützt die Messung in entsprechender Weise. Eine optionale zylindrische Optik (Z) kann die resultierenden Interferenzmuster auf eine Brennlinie bündeln, so dass ein einfaches Zeilenarray als Detektor eingesetzt werden kann. Die dargestellte Anordnung verfügt über eine breitbandige Lichtquelle, Daher werden in diesem Fall die Interferenzmuster für die verschiedenen Wellenlängen nicht einzeln gemessen und die entsprechende Ansteuerung der Lichtquelle entfällt. Statt dessen werden die jeweiligen Interferenzmuster für die verschiedenen Wellenlän- gen am Detektor inkohärent überlagert. Durch eine geeignete Steuereinheit (C) wird das Detektorarray ausgelesen und somit das entsprechende Summensignal gemessen (CS3).
Eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß Abbildung 19 arbeitet zunächst wie die oben beschriebene Anordnung gemäß Abbildung 17 jedoch wird hier eine breitban- dige Quelle (BQ) verwendet. In diesem Fall werden die Interferenzmuster für die verschiedenen Wellenlängen nicht einzeln gemessen und die entsprechende Ansteuerung der Lichtquelle entfällt. Statt dessen werden die jeweiligen Interferenzmuster für die verschiedenen Wellenlängen am Detektor inkohärent überlagert und durch eine geeignete Steuereinheit (C) wird das Detektorarray ausgelesen und somit das entsprechende Summensignal gemessen (CS3).
Eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß Abbildung 20 arbeitet zunächst wie die oben beschriebene Anordnung gemäß Abbildung 19 mit einer breitbandigen Quelle (BQ) jedoch wird eine ein zusätzliches spektral dispersives Element (G2) verwendet. In der dargestellten Anordnung handelt es sich bei diesem zusätzlchen spektral dispersiven Element (G2) um ein in Transmission verwendetes Beugungsgitter dessen Linien bezogen auf das andere Beugungsgitter (G1) senkrecht orientiert sind. .Das Detektorarray (DA) ist in diesem Fall 2-dimensional. Die durch das genannte zusätzliche Beugungsgitter (G2) erzeugte spektrale Dispersion trennt am Detektor die Interferenzmuster für die verschiedenen Wellenlängen auf. Trotz Verwendung der genannten breitbandigen Lichtquelle können daher die jeweiligen Interferenzmuster für die verschiedenen Wellenlängen am Detektor getrennt gemessen werden. Durch eine geeignete Steuereinheit (C) wird das Detektorarray ausgelesen und somit die entsprechenden Signale gemessen (CS2).

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von optischen Weglängendifferenzen bzw. zur optischen Kohärenz Tomographie gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
(a) Die Erzeugung von räumlich kohärentem Licht durch eine Lichtquelle, welche einen räumlichen Monomode abstrahlt oder deren Abstrahlung durch geeignete Mittel auf einen einzelnen räumlichen Mode beschränkt wird und, welche gleichzeitig einen breiten spektralen Bereich überdeckt entweder durch spektral breitbandige Abstrahlung, oder durch Scannen einer spektral schmalbandigen Lichtquelle über einen breiten spektralen Bereich, oder durch geeignete Kombination einer Vielzahl von Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge; sowie (b) die Aufteilung zumindest eines Anteils des von der genannten Lichtquelle kommende Lichtes in zwei räumlich getrennte Pfade, im weiteren als Referenzpfad und Messpfad bezeichnet, durch mindestens einen Strahlteiler und geeigneten Mittel zur Strahlführung, sowie
(c) die Platzierung einer zu vermessende Probe im Messpfad derart, dass das Licht im Verlauf seines Weges durch den Messpfad durch die Probe bzw. durch Strukturen im Inneren der Probe reflektiert bzw. rückgestreut wird,
(d) die Verwendung von mindestens 2 Detektoren bzw. von einem Detektor mit mindestens 2 Detektorelementen und weiteren Mitteln zur Strahlführung welche Licht aus dem Referenzpfad und Licht aus dem Messpfad an den genannten Detektoren bzw. Detektorelementen mit jeweils unterschiedlichen Weglängendifferenzen wieder zusammenführen und zur Interferenz bringen dergestalt, dass anhand der jeweiligen Lichtintensitäten an den Detektoren bzw. Detektorelementen sowohl die Intensität als auch eine relative Phasenlage des Lichtes aus dem Messpfad bezogen auf den Referenzpfad bestimmt werden kann,
(e) die Aufnahme und Auswertung der Lichtintensitäten an den Detektoren bzw. Detektorelementen gemäß einer der beiden folgenden Möglichkeiten, durch entweder:
(e1) zunächst die Erzeugung einer optischen Überlagerung der Lichtintensitäten an den Detektoren bzw. Detektorelementen für alle oder einen Teil aller Wellenlängen, welche die Lichtquelle zur Verfügung stellt, und dann die Messung der jeweiligen Intensität dieser Überlagerung durch die jeweiligen Detektoren bzw. Detektorelemente, um einen Datensatz zu erhalten .oder (e2) zunächst die Messung der Lichtintensitäten an den Detektoren bzw. Detektorelementen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, wobei in Abhängigkeit von der Wellenlänge jeweils sowohl eine Intensität als auch eine relative Phasenlage des Lichtes aus dem Messpfad bezogen auf den Referenzpfad bestimmbar sind, und dann eine numerische Überlagerung dieser Messungen, um einen Datensatz zu erhalten,
(f) eine numerische Auswertung und Darstellung des genannten Datensatzes dergestalt, dass Rückschlüsse auf sowohl räumliche Position als auch Stärke der Reflektion bzw. Streuung der Probe bzw. der Strukturen im Inneren der Probe möglich werden.
2 Verfahren nach Anspruch 1 mit der Möglichkeit die optische Weglänge in Referenzarm oder Probenarm zu variieren und somit die Messung von Intensität und Phasenlage nicht nur in Abhängigkeit von der Wellenlänge sondern zusätzlich auch für unterschiedliche optische Weglängen durchzuführen.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem von Referenz- oder Messarm zusätzlich ein oder mehrere spektral dispersive Elemente vorgesehen sind, derart, dass die genannten spektral dispersiven Elemente am Ort der Detektoren eine von der Wellenlänge abhängige zusätzlich Variation der relativen Phasenlage zwischen Licht aus Referenzpfad und Messpfad bewirken.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die in (e2) genannte numerische Überlagerung der gemessenen Interferenzmuster nach Intensität und Phasenlage ein iteratives Verfahren um- fasst, welches eine bezüglich der Probe ortsauflösende Messung der spektralen Dispersion erlaubt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die genannte bezüglich der Probe ortsauflösende Messung der spektralen Dispersion zur Korrektur der Weglängenmessung bzw. zur Erhöhung der Genauigkeit der Messung der Weglängen verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die genannte ortsauflösende Messung der spektralen Dispersion Bestimmung von Materialeigenschaften der Probe verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Bestimmung von optischen Weglängen gekennzeichnet durch eine Lichtquelle^ welche einen räumlichen Monomode abstrahlt oder deren Abstrahlung durch geeignete Mittel auf einen einzelnen räumlichen Mode beschränkt wird und, welche einen breiten spektralen Bereich überdeckt, entweder durch spektral breitbandige Abstrahlung, oder durch Scannen einer schmalbandigen Quelle über einen breiten spektralen Bereich, oder durch Auswahl aus einer Vielzahl von Quellen unterschiedlicher Wellenlänge; sowie einen ersten Teil einer interferometrischen Anordnung, mit mindestens einem Strahlteiler und Mitteln zur Strahlführung, welche das von der Lichtquelle kommende Licht zunächst in zwei räumlich getrennte Pfade aufteilt, im weiteren als Referenzpfad und Messpfad bezeichnet , sowie Mitteln zur Anordnung einer zu vermessende Probe im Messpfad dergestalt, dass das Licht des Messpfades an der Probe reflektiert oder durch die Probe gestreut wird, sowie einen zweiten Teil einer interferometrischen Anordnung, welcher Referenzpfad und Messpfad mit geeigneten Mitten zur Strahlführung wieder zusammenführt und das Licht aus den beiden Pfaden an einem oder mehreren optischen Detektors zur Interferenz bringt, sowie dem oder den genannten optischen Detektoren zur Erfassung des Interferenzsignals dergestalt ausgeführt oder mit weiteren Mitteln kombiniert, dass eine Messung sowohl der relativen Intensität als auch der relativen Phasenlage des Lichtes, das den Detektor über den Messarm erreicht, bezogen auf das Licht, das den Detektor über den Referenzarme erreicht, möglich wird.
8. Eine Anordnung nach Anspruch 7 wobei der oder die optischen Detektoren dergestalt ausgeführt sind, dass eine räumliche Modulation des Interferenzsignals erkannt, eine relative Phasenlage dieser räumlichen Modulation bestimmt, und daraus Rückschlüsse auf die relative Phasenlage des Lichts aus dem Messarm bezogen das Licht aus dem Referenzarm ermöglicht wird.
9. Eine Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche wobei der Detektor 2 oder mehrere oder eine Vielzahl einzelner Detektorelemente (Detektor-Array) umfasst und dergestalt ausgeführt ist, dass eine räumliche Modulation des Interferenzsignals erkannt, eine Phasenlage dieser räumlichen Modulation bestimmt und daraus Rückschlüsse auf die relative Phasenlage des Lichts aus dem Messarm bezogen auf das Licht aus dem Referenzarm ermöglicht wird.
10. Eine Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, ausgerüstet mit Mitteln welche eine Variation der optischen Weglänge von Referenz oder Messarm erlauben.
11. Eine Anordnung nach einem der vorigen Ansprüche, ausgerüstet mit mindestens einem spektral dispersiven optischen Element als Teil der interferome- trischen Anordnung, welches entweder in einem der beiden Pfade angeordnet ist oder als Strahlteiler der interferometrischen Anordnung ausgeführt ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11 gekennzeichnet dadurch, dass das oder die spektral dispersiven optische Element eine von der Wellenlänge abhängige Veränderung der optischen Weglänge bewirken.
13. Anordnung nach Anspruch 11 gekennzeichnet dadurch, dass das oder die spektral dispersiven optische Element eine von der Wellenlänge abhängige Veränderung des Winkels unter dem die aus den beiden Pfaden kommenden Lichtstrahlen zur Interferenz gebracht werden bewirkt..
14. Anordnung nach Anspruch 11 bis 13 gekennzeichnet dadurch, dass das oder die spektral dispersiven optische Elemente als Prisma ausgeführt sind.]
15. Anordnung nach Anspruch 11 bis 13 gekennzeichnet dadurch, dass das oder die spektral dispersiven optische Elemente als Beugungsgitter ausgeführt sind.
16. Anordnung nach Anspruch 15 gekennzeichnet dadurch, dass das genannte Beugungsgitter-Gitter als Strahlteiler eingesetzt wird.
17. Anordnung nach Anspruch 15 gekennzeichnet dadurch, dass das genannte Beugungsgitter-Gitter zur Überlagerung der Strahlen aus Messarm und Referenzarm eingesetzt wird.
18. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass ein ortsauflösender Detektor (CCD) eingesetzt wird.
19. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Vorrichtungsansprüche für die Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Verfahrensansprüche.
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