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).