WO2012034774A1 - Messvorrichtung zum optischen erfassen von eigenschaften einer probe - Google Patents

Messvorrichtung zum optischen erfassen von eigenschaften einer probe Download PDF

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WO2012034774A1
WO2012034774A1 PCT/EP2011/063314 EP2011063314W WO2012034774A1 WO 2012034774 A1 WO2012034774 A1 WO 2012034774A1 EP 2011063314 W EP2011063314 W EP 2011063314W WO 2012034774 A1 WO2012034774 A1 WO 2012034774A1
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polarization
sample
matrix
detector
reflection
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PCT/EP2011/063314
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Frank Widulle
Michael Totzeck
Christian Koos
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Carl Zeiss Ag
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N21/211—Ellipsometry
    • G—PHYSICS
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length

Definitions

  • Measuring apparatus for optically detecting properties of a sample
  • the invention relates to a measuring device for optically detecting properties of a sample comprising an FD-OCT comprising an illumination beam path for illuminating a linear region of the sample, a detection beam path for detecting reflection from the sample, a superimposition device for superimposing the detected reflection Reference radiation and a spectrometer, wherein the return radiation extends linearly along a line direction, which is transverse to the direction of propagation of the return radiation, and wherein the line shape is associated with the line-shaped sample area, and wherein the spectrometer spectrally fanning out the linear reflection back to the line direction and a 2D Detector which has a matrix of detector pixels.
  • characterization methods For the analysis of material surfaces and thin single layers and layer stacks (eg, antireflective coatings, electrically conductive layers, particle coatings, micro- and nanostructured layers) on substrates (eg glass, semiconductors, metals) a variety of analytical characterization methods exists, eg. As reflectance spectroscopy, optical coherence tomography (OCT) or X-ray fluorescence. The characterization parameters of these surfaces and layers are z. B. real and imaginary part of the complex refractive index, layer thicknesses, roughnesses and surfaces and interfaces, proportion of amorphous and crystalline areas, topography and morphology, properties of grain boundaries, particle properties.
  • OCT optical coherence tomography
  • X-ray fluorescence X-ray fluorescence
  • the optical measurements with a lighting of the surface or layer, by which a correlation to the above-mentioned material properties are produced, are for.
  • Many of these characterization methods are established in the laboratory but are only partially suitable for use in a production line. In practice, large, essentially flat surfaces with dimensions of several dm to m in one dimension and several m up to km in the other dimension are machined and finished. Examples are solar modules or coated glass substrates and all products from a tape-like manufacturing process ("roll-to-roll", "reel-to-can”) such.
  • Characterization processes are required for process development and quality assurance, which can be used in the production process (inline) and / or can capture the entire area, ie are accordingly fast in data acquisition and evaluation.
  • OCT optical coherence tomography
  • a classical time-domain OCT system detects the scattered light sequentially along an axis which runs into the volume of a material (bulk or coating) by mechanical movement of a reference mirror (so-called "A-scan").
  • A-scan a reference mirror
  • the location in the volume from which stray light is detected and the depth resolution result from the coherence length of the light source and the optical path length differences between sample and reference arm of an interferometer.
  • the location of the axis is additionally scanned laterally in two dimensions (B and C scan).
  • the generic OCT characterized at the outset with a linear illumination of the sample is suitable.
  • the relative speed between the sample and the OCT is used for continuous data acquisition.
  • Grajciar et al. "Parallel Fourier-domain OCT for in vivo measurement of the human eye"
  • Optics Express 13, 1 131, 2005 illuminates a line-shaped sample area and illuminates the spectrum of each point on that line via a dispersive optical element (eg grid).
  • the location information is coded along the first dimension and the spectral information along the second dimension of the 2D detector, and this principle has already been used in medical technology (see also Endo et al., "Line-field Fourier”). domain optical coherence tomography ", Proc. SPIE, Vol. 5690, 168 (2005) or Graf et al.," Parallel frequency-domain OCT scatter-mode imaging of the hamster cheek pouch using a thermal light source ", Optics Letters 33, 1285, 2008).
  • DE 1 0146945 A1 discloses a spectral ellipsometer which has an array of individual polarizers in front of a two-dimensional detector.
  • the invention is based on the object, a measuring device of the type mentioned, which is based on the FD-OCT, to the effect that a more detailed sample analysis, in particular with respect to layer properties, is possible.
  • measuring device for optically detecting properties of a sample comprising a FD-OCT, which has an illumination beam path for illuminating a linear region of the sample, a detection beam path for detecting reflection from the sample, a superposition device for superimposing the detected reflection Reference radiation and a spectrometer, wherein the return radiation extends linearly along a line direction, which is transverse to the propagation direction of the return radiation, and wherein the line shape is associated with the line-shaped sample area, and wherein the spectrometer spectrally fanning out the linear reflection back to the line direction and on a 2D - Directs detector having a matrix of detector pixels, wherein the detector is preceded by a polarizing filter having arranged in a matrix, polarization-manipulating elements, wherein the matrix of the polarization-manipulating elements of the matrix of detector pixels corresponds to and wherein a plurality of types of polarization-manipulating elements are provided, which differ in the polarization states
  • a polarization filter is arranged upstream of the detector, which makes it possible to evaluate the polarization state of the radiation originating from the FD-OCT.
  • the OCT principle makes a depth selection, and the polarization analysis allows another Structure elucidation, in particular with regard to refractive index of the material, layer structure, layer thicknesses, etc.
  • the invention has the advantage that a direct scattered light detection from an illumination line can be achieved without mechanically moving parts would be necessary. Thus, a fast, highly parallel data acquisition is realized.
  • This advantage means that unproblematically large surfaces, in particular of strip material which moves in constant speed production, can be analyzed without additional scanning unit.
  • the various types of polarization-manipulating elements will be grouped together and then repeated in a particular pattern.
  • the group forms a "superpixel" and its size defines the spatial resolution, whereby the group can have nxm, nxn or 1 xk patterns, in particular 2x2 or 1x4 arrangements.
  • a device for setting a polarization state of the radiation with which the line-shaped sample region is illuminated is provided in the illumination beam path a device for setting a polarization state of the radiation with which the line-shaped sample region is illuminated.
  • the measuring device according to the invention can be further developed such that an angle adjustment is provided, with which an angle of incidence, is illuminated in the illuminating beam path of the sample area, and a detection angle at which the return radiation is detected in the detection beam path is adjustable. Usually, these angles are related to a normal to the surface of the sample.
  • this device comprises a diaphragm. This can be arbitrarily selected Parts of a scattering lobe, in which the radiation is coupled by the scattering surface, are measured.
  • FIG. 1 shows schematically a measuring device comprising an FD-OCT
  • Fig. 2 is a schematic representation of the detector device of the FD-OCT of Fig. 1 and
  • FIG. 3 is a schematic representation of the arrangement of polarizing filters in the detector device of FIG. 2.
  • Figure 1 shows schematically a measuring device in the form of an OCT 1, which is shown purely by way of example as Michelson interferometer structure.
  • the radiation from a broadband light source 2 is split by a beam splitter 3 into two arms.
  • a measuring arm carries the radiation to the sample P, and a reference arm the radiation to a reference reflector 4.
  • the beam splitter 3 combines the radiation returning from the reference arm or measuring arm, i. H. Reference radiation and the sample P backscattered or back reflected reflected radiation and passes it superimposed on a detector unit, which is designed here as a spectrometer.
  • a dispersive element 5 in the spectrometer spectrally fans the radiation and directs it to a two-dimensional detector 8, which is preceded by a polarization filter 7, which will be explained later.
  • the structure of the OCT 1 is here purely exemplary of a known FD-OCT to see, which can of course be realized in other interferometer and in particular as a fiber optic interferometer.
  • all known OCT constructions come into question, in particular also those which operate by means of pre- or post-interferometer according to the double-jet principle, in which therefore the reference beam path also includes the sample.
  • the measuring device has a control unit not shown in the drawings, which is connected to the detector 8 and possibly the light source and other controllable elements, such as a scanning device and reads the signals of the detector 8 and the light source 2 controls if necessary appropriate ,
  • the OCT 1 illuminates the sample P in a line-shaped area which is oriented perpendicular to the drawing axis.
  • the reverberation is also recorded linearly or in a cell shape (the terms are used interchangeably here).
  • a scanning device is provided, which shifts the one linear region relative to the sample. This scanning device can also be realized by a sample movement or a conveyor.
  • the spectrometer and in particular the dispersive element 5 fans out the radiation transversely to the line direction.
  • the detector 8 as well as the upstream polarization filter are constructed in two dimensions, so that one detector dimension (x) of the wavelength resolution, the other detector dimension (y) of the resolution along the line is used.
  • a line-shaped region in the sample P can be simultaneously d. H. be detected with a single measurement.
  • FIG Figure 2 shows schematically how the detector 8 and the polarizing filter 7 are arranged to each other.
  • the polarizing filter 7 comprises a plurality of filter pixels 32 to 35 arranged in rows and columns, each associated with a detector pixel 23 (preferably but not necessarily exactly one detector pixel), as in the schematic exploded view of a portion of the detector 8 and the polarizing filter 7 in FIG Figure 2 can be seen.
  • 2 ⁇ 2 filter pixels form a pixel group 36, wherein three filter pixels 32, 33, 34 of the pixel group 36 are analyzers with different transmission or main axis direction (eg 0 °, 45 °, 90 °) for polarized radiation.
  • the fourth filter pixel 35 filters circular polarization states.
  • the detector pixels 23 assigned to the four pixels 32 to 35 it is thus possible to detect the polarization state of the reference and return radiation superimposed (i.d.R., interferingly).
  • the resolution is reduced by a factor of 2 compared to a construction without polarization filter 7, but additionally information about the polarization state are obtained, so that the OCT 1 also provides polarization information in a single measurement.
  • FIG. 3 is a schematic top view once again of the arrangement of the pixels, wherein a pixel group 36 is illustrated by way of example.
  • the information coding in the signal supplied by the 2D detector 8 is entered in FIG.
  • One direction encodes the wavelength
  • the other encodes the location in the cell-illuminated sample.
  • the measuring device can be developed to the effect that in addition a device 9 is arranged in the measuring beam path, with which the angle can be adjusted, under which the incident radiation illuminates the sample P. At the same time or alternatively, the device 9 sets the angle at which re-radiation is coupled back into the OCT1.
  • the device 9 can optionally also be designed so that it covers the angular range, from which the return comes from or is lit, filters accordingly. The latter is advantageous for the evaluation of scattering samples.

Abstract

Beschrieben wird eine Meßvorrichtung zum optischen Erfassen von Eigenschaften einer Probe (P), umfassend einen FD-OCT (1), der einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung eines linienförmigen Bereiches der Probe (P), einen Detektionsstrahlengang zur Erfassung von Rückstrahlung von der Probe (P), eine Überlagerungseinrichtung (3) zur Überlagerung der erfaßten Rückstrahlung mit Referenzstrahlung und ein Spektrometer (5) aufweist, wobei die Rückstrahlung sich längs einer Linienrichtung linienförmig erstreckt, welche quer zur Ausbreitungsrichtung der Rückstrahlung liegt, und wobei die Linienform dem linienförmigen Probenbereich zugeordnet ist, und wobei das Spektrometer (5) die linienförmige Rückstrahlung quer zur Linienrichtung spektral auffächert und auf einen 2D-Detektor (8) leitet, der eine Matrix von Detektorpixeln (23) aufweist, wobei dem Detektor (8) ein Polarisationsfilter (7) vorgeordnet ist, der in einer Matrix angeordnete, polarisationsmanipulierende Elemente (32-35) aufweist, wobei die Matrix der polarisationsmanipulierenden Elemente (32-35) der Matrix der Detektorpixel (23) entspricht und wobei mehrere Arten von polarisationsmanipulierenden Elementen (32-35) vorgesehen sind, die sich hinsichtlich der von ihnen gefilterten Polarisationszustände unterscheiden und sich in der Matrix der polarisationsmanipulierenden Elemente (32-35) in einem bestimmten Muster wiederholen.

Description

Meßvorrichtunq zum optischen Erfassen von Eigenschaften einer Probe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung zum optischen Erfassen von Eigenschaften einer Probe, umfassend einen FD-OCT, der einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung eines linienförmigen Bereiches der Probe, einen Detektionsstrahlengang zur Erfassung von Rückstrahlung von der Probe, eine Überlagerungseinrichtung zur Überlagerung der erfaßten Rückstrahlung mit Referenzstrahlung und ein Spektrometer aufweist, wobei die Rückstrahlung sich längs einer Linienrichtung linienformig erstreckt, welche quer zur Ausbreitungsrichtung der Rückstrahlung liegt, und wobei die Linienform dem linienförmigen Probenbereich zugeordnet ist, und wobei das Spektrometer die linienförmige Rückstrahlung quer zur Linienrichtung spektral auffächert und auf einen 2D-Detektor leitet, der eine Matrix von Detektorpixeln aufweist.
Eine solche Vorrichtung, welche überdies eine polarisationssensitive Detektion erlaubt, ist aus der US 2008/0170225 A1 bekannt.
Für die Analyse von Materialoberflächen und dünnen Einzelschichten und Schichtstapeln (z. B. Entspiegelungen, elektrisch leitende Schichten, Partikelbeschichtungen, mikro- und nanostrukturierte Schichten) auf Substraten (z. B. Glas, Halbleiter, Metalle) existiert eine Vielzahl analytischer Charakterisierungsmethoden wie z. B. Reflexionsspektroskopie, optische Kohärenztomographie (OCT) oder Röntgenfluoreszenz. Die Charakterisierungsparameter dieser Oberflächen und Schichten sind z. B. Real- und Imaginärteil des komplexen Brechungsindex, Schichtdicken, Rauhigkeiten und Oberflächen und Interfaces, Anteil amorpher und kristalliner Bereiche, Topographie und Morphologie, Eigenschaften von Korngrenzen, Partikeleigenschaften. Die optischen Meßgrößen bei einer Beleuchtung der Oberfläche oder Schicht, durch die eine Korrelation zu oben genannten Materialeigenschaften hergestellt werden, sind z. B. der spekulare Reflex (weilenlängen- und polarisationsabhängig) und Streulicht (weilenlängen-, Winkel- und polarisationsabhängig). Viele dieser Charakterisierungsmethoden sind im Labor etabliert, jedoch nur bedingt geeignet für den Einsatz in einer Produktionslinie. In der Praxis werde große, im wesentlichen ebene Flächen mit Abmessungen von mehreren dm bis m in einer Dimension und mehreren m bis zu km in der anderen Dimension bearbeitet und veredelt. Beispiele hierfür sind Solarmodule oder beschichtete Glassubstrate sowie alle Produkte aus einem bandartigen Herstellungsprozeß („Roll-to-Roll", „Reel-to-Can") wie z. B. Folien und Laminate, flexible Elektronik und Displays und Solarzellen, Batterie-Elektroden und -Separatoren, Kondensatoren, Papier, Textilien. Für die Prozeßentwicklung und Qualitätssicherung sind Charakterisierungsverfahren erforderlich, die im Herstellungsprozeß eingesetzt werden können (inline) und/oder die gesamte Fläche erfassen können, also dementsprechend schnell in der Datenaufnahme und -auswertung sind.
Für die ortsaufgelöste Erfassung von Streulicht aus dem Volumen eines Materials (Bulk, Einzelschicht oder Schichtstapel) mit einer lateralen Auflösung und Tiefenauflösung bis zu wenigen μιτι eignen sich optische Kohärenztomographien (OCT). Das Streuverhalten von transparenten oder wenig absorbierenden Schichten mit Dicken oberhalb dieser Auflösungsgrenze kann damit charakterisiert werden.
Ein klassisches Zeitbereichs-OCT-System („time-domain OCT") erfaßt das Streulicht sequentiell entlang einer Achse, die in das Volumen eines Materials (Bulk oder Beschichtung) hineinverläuft, durch mechanische Bewegung eines Referenzspiegels (sog.„A-Scan"). Der Ort im Volumen, aus dem Streulicht detektiert wird, und die Tiefenauflösung ergeben sich aus der Kohärenzlänge der Lichtquelle und den optischen Weglängendifferenzen zwischen Probe- und Referenzarm eines Interferometers. Um das Streulicht eines Volumens ortsaufgelöst zu erfassen, wird der Ort der Achse zusätzlich lateral in zwei Dimensionen gescannt (B- und C- Scan).
Eine schnellere Datenaufnahme desselben Volumens ermöglicht ein Frequenzbereichs-OCT- System, das unter dem Begriff FD-OCT bekannt ist (vgl. Povazay et al.,„Full-field time-encoded frequency-domain optical coherence tomography", Optics Express 14, 7661 , 2006). Hierbei wird die Interferenz der einzelnen spektralen Komponenten erfaßt, die durch die entlang der Achse generierte Rückstreuung entsteht. Die spektrale Aufspaltung im Detektionsstrahlengang erfolgt über ein dispersives optisches Element (z.B. Gitter) und wird mit einem Zeilendetektor aufgenommen. Vorteil dieser Methode ist die instantane Erfassung des Streulichts entlang der Achse ohne mechanisch bewegte Elemente und einer besseren Ausnutzung der eingestrahlten optischen Leistung.
Für die schnelle und großflächige Charakterisierung von ebenen Oberflächen und Schichten in der Produktion, insbesondere Platten, Module oder Bandmaterial, das sich während des Produktionsprozesses mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, eignet sich das eingangs charakterisierte, gattungsgemäße OCT mit einer linienförmigen Beleuchtung der Probe. Die Relativgeschwindigkeit zwischen der Probe und dem OCT wird genutzt zur kontinuierlichen Datenaufnahme. Hierfür kann, wie in der gattungsbildenden Schrift, Grajciar et al., „Parallel Fourier-domain OCT for in vivo measurement of the human eye", Optics Express 13, 1 131 , 2005, beschrieben ist, ein linienförmiger Probenbereich beleuchtet und das Spektrum jedes Punktes auf dieser Linie über ein dispersives optisches Element (z. B. Gitter) auf einen 2D- Detektor abgebildet werden. Die Ortsinformation ist entlang der ersten Dimension und die Spektralinformation entlang der zweiten Dimension des 2D-Detektors codiert. In der Medizintechnik wurde dieses Prinzip bereits eingesetzt (siehe auch Endo et al., „Line-field Fourier-domain optical coherence tomography", Proc. SPIE, Vol. 5690, 168 (2005) oder Graf et al.,„Parallel frequency-domain OCT scatter-mode imaging of the hamster cheek pouch using a thermal light source", Optics Letters 33, 1285, 2008).
Weiter ist zur Oberflächencharakterisierung die Ellipsometrie bekannt. Hierfür ist aus der DE 1 0146945 A1 ein Spektralellipsometer bekannt, das vor einem zweidimensionalen Detektor ein Array aus Einzelpolarisatoren aufweist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art, die auf der FD-OCT beruht, dahingehend weiterzubilden, daß eine detailliertere Probenanalyse, insbesondere hinsichtlich Schichteigenschaften, möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Meßvorrichtung zum optischen Erfassen von Eigenschaften einer Probe, umfassend einen FD-OCT, der einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung eines linienförmigen Bereiches der Probe, einen Detektionsstrahlengang zur Erfassung von Rückstrahlung von der Probe, eine Überlagerungseinrichtung zur Überlagerung der erfaßten Rückstrahlung mit Referenzstrahlung und ein Spektrometer aufweist, wobei die Rückstrahlung sich längs einer Linienrichtung linienförmig erstreckt, welche quer zur Ausbreitungsrichtung der Rückstrahlung liegt, und wobei die Linienform dem linienförmigen Probenbereich zugeordnet ist, und wobei das Spektrometer die linienförmige Rückstrahlung quer zur Linienrichtung spektral auffächert und auf einen 2D- Detektor leitet, der eine Matrix von Detektorpixeln aufweist, wobei dem Detektor ein Polarisationsfilter vorgeordnet ist, der in einer Matrix angeordnete, polarisationsmanipulierende Elemente aufweist, wobei die Matrix der polarisationsmanipulierenden Elemente der Matrix der Detektorpixel entspricht und wobei mehrere Arten von polarisationsmanipulierenden Elementen vorgesehen sind, die sich hinsichtlich der von ihnen gefilterten Polarisationszustände unterscheiden und sich in der Matrix der polarisationsmanipulierenden Elemente in einem bestimmten Muster wiederholen.
Erfindungsgemäß wird also dem Detektor ein Polarisationsfilter vorgeordnet, das es erlaubt, den Polarisationszustand der Strahlung, die aus dem FD-OCT stammt, auszuwerten. Das OCT- Prinzip leistet dabei eine Tiefenselektion, und die Polariationsanalyse erlaubt eine weitere Strukturaufklärung, insbesondere hinsichtlich Brechzahl des Materials, Schichtstruktur, Schichtdicken etc.
Filtert man als Polarisationszustände die linearen Zustände von 0 °, 45° und 90 ° sowie den zirkularen Polarisationszustand, kann man den Stokes-Vektor der Strahlung der Rückstrahlung rekonstruieren.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß auch eine direkte Streulichtdetektion aus einer Ausleuchtungslinie erreicht werden kann, ohne daß mechanisch bewegte Teile nötig wären. Es wird somit eine schnelle, hochparallele Datenaufnahme realisiert.
Dieser Vorteil führt dazu, daß unproblematisch große Flächen, insbesondere von Bandmaterial, welches sich in der Produktion mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ohne zusätzliche Scaneinheit analysiert werden können.
Zweckmäßigerweise wird man die verschiedenen Arten von polarisationsmanipulierenden Elementen in einer Gruppe zusammenfassen, die sich dann im bestimmten Muster wiederholt. Die Gruppe bildet ein„Superpixel", und ihre Größe legt die Ortsauflösung fest. Hierbei sind für die Gruppe nxm-, nxn- oder 1 xk-Muster möglich, insbesondere 2x2- oder 1 x4-Anordnungen.
Besonders bevorzugt ist es im Sinne einer Schichtaufklärung, im Beleuchtungsstrahlengang eine Einrichtung zum Einstellen eines Polarisationszustandes der Strahlung, mit welcher der linienförmige Probenbereich beleuchtet ist, vorzusehen. Dadurch kann ein definierter Polarisationszustand bei der Beleuchtung realisiert und bei der Auswertung der Polarisationszustände, welche das dem Detektor vorgeordnete Polarisationsfilter ermöglicht, eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, daß eine Winkeleinstellrichtung vorgesehen ist, mit der ein Einstrahlwinkel, unter dem im Beleuchtungsstrahlengang der Probenbereich beleuchtet ist, und ein Detektionswinkel, unter dem im Detektionsstrahlengang die Rückstrahlung erfaßt ist, einstellbar ist. Üblicherweise bezieht man diese Winkel auf eine Normale zur Oberfläche der Probe. Diese Weiterbildung der Meßvorrichtung realisiert eine Kombination aus einem Eilipsometer und einem optischen Kohärenztomographen.
Möchte man streuende Oberflächen analysieren, ist es zweckmäßig, zusätzlich eine Einrichtung zur Selektion eines Einstrahl- oder Rückstrahlungswinkelbereiches vorzusehen. Zweckmäßigerweise umfaßt diese Einrichtung eine Blende. Damit können beliebig wählbare Teile einer Streukeule, in der die Strahlung von der streuenden Oberfläche angekoppelt wird, gemessen werden.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßvorrichtung umfassend ein FD-OCT,
Fig. 2 eine Schemadarstellung der Detektoreinrichtung des FD-OCT der Fig. 1 und
Fig. 3 eine Schemadarstellung der Anordnung von Polarisationsfiltern in der Detektoreinrichtung der Fig. 2.
Figur 1 zeigt schematisch eine Meßvorrichtung in Form eines OCT 1 , das rein exemplarisch als Michelson-Interferometer-Aufbau dargestellt ist. Die Strahlung aus einer breitbandigen Lichtquelle 2 wird über einen Strahlteiler 3 in zwei Arme aufgeteilt. Ein Meßarm führt die Strahlung zur Probe P, und ein Referenzarm die Strahlung zu einem Referenzreflektor 4. Der Strahlteiler 3 vereinigt die aus dem Referenzarm bzw. Meßarm zurückkehrende Strahlung, d. h. Referenzstrahlung und an der Probe P rückgestreute oder rückreflektierte Rückstrahlung und leitet sie überlagert auf eine Detektoreinheit, die hier als Spektrometer ausgebildet ist. Ein dispersives Element 5 im Spektrometer fächert die Strahlung spektral auf und leitet sie auf einen zweidimensionalen Detektor 8, dem ein noch zu erläuterndes Polarisationsfilter 7 vorgeordnet ist. Der Aufbau des OCT 1 ist hier rein exemplarisch für ein bekanntes FD-OCT zu sehen, das natürlich auch in anderen Interferometerstrukturen und insbesondere als faseroptischer Interferometeraufbau realisiert werden kann. Grundsätzlich kommen alle bekannten OCT-Bauweisen in Frage, insbesondere auch solche, die mittels Vor- oder Nachinterferometer nach dem Doppelstrahlprinzip arbeiten, bei denen also der Referenzstrahlengang ebenfalls die Probe beinhaltet.
Weiter verfügt die Meßvorrichtung über eine in den Zeichnungen nicht weiter dargestellte Steuereinheit, welche mit dem Detektor 8 und ggf. der Lichtquelle und weiteren ansteuerbaren Elementen, wie z.B. einer Scaneinrichtung verbunden ist und die Signale des Detektors 8 ausliest und die Lichtquelle 2 ggf. passend ansteuert. Das OCT 1 beleuchtet die Probe P in einem linienförmigen Bereich, der hier senkrecht zur Zeichnungsachse orientiert ist. Auch die Rückstrahlung wird linienförmig bzw. zellenförmig aufgenommen (die Begriffe werden hier austauschbar verwendet). Optional ist eine Scaneinrichtung vorgesehen, die den einen linienförmigen Bereich relativ zur Probe verschiebt. Diese Scaneinrichtung kann auch durch eine Probenbewegungs- oder eine Fördereinrichtung realisiert sein.
Das Spektrometer und insbesondere das dispersive Element 5 fächert die Strahlung quer zur Linienrichtung auf. Der Detektor 8 wie auch das vorgeordnete Polarisationsfilter sind zweidimensional aufgebaut, so daß eine Detektordimension (x) der Wellenlängenauflösung, die andere Detektordimension (y) der Auflösung längs der Linie dient. Damit kann ein linienformiger Bereich in der Probe P gleichzeitig, d. h. mit einem einzigen Meßvorgang erfaßt werden.
Figur 2 zeigt schematisch, wie der Detektor 8 und das Polarisationsfilter 7 zueinander angeordnet sind. Das Polarisationsfilter 7 umfaßt eine Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Filterpixeln 32 bis 35, das jedes einem Detektorpixel 23 zugeordnet sind (vorzugsweise, aber nicht zwingend genau einem Detektorpixel), wie in der schematischen Explosionsdarstellung eines Abschnitts des Detektors 8 und des Polarisationsfilters 7 in Figur 2 ersichtlich ist. Dabei bilden jeweils 2X2 Filterpixel eine Pixelgruppe 36, wobei drei Filterpixel 32, 33, 34 der Pixelgruppe 36 Analysatoren mit unterschiedlicher Durchlaß- bzw. Hauptachsenrichtung (z. B. 0 °, 45°, 90 °) für polarisierte Strahlung sind. Das vierte Filterpixel 35 filtert zirkuläre Polarisationszustände. Mit den den vier Pixeln 32 bis 35 zugeordneten Detektorpixeln 23 kann somit der Polarisationszustand der (i.d.R. interferierend) überlagerten Referenz- und Rückstrahlung erfaßt werden. Durch diese Bauweise ist zwar die Auflösung um den Faktor 2 im Vergleich zu einer Bauweise ohne Polarisationsfilter 7 verringert, jedoch werden zusätzlich noch Informationen über den Polarisationszustand gewonnen, so daß das OCT 1 zugleich eine Polarisationsinformation in einer einzigen Messung liefert.
Figur 3 zeigt schematisch in Draufsicht noch einmal die Anordnung der Pixel, wobei exemplarisch eine Pixelgruppe 36 verdeutlicht eingetragen ist. Zugleich ist in Figur 3 die Informationscodierung im Signal, das der 2D-Detektor 8 liefert, eingetragen. Eine Richtung codiert die Wellenlänge, die andere den Ort in der zellenförmig beleuchteten Probe.
Die Meßvorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, daß zusätzlich eine Einrichtung 9 im Meßstrahlengang angeordnet ist, mit der der Winkel eingestellt werden kann, unter welchem die einfallende Strahlung die Probe P beleuchtet. Zugleich oder alternativ stellt die Einrichtung 9 den Winkel ein, unter dem Rückstrahlung wieder in das OCT1 eingekoppelt wird. Zusätzlich kann die Einrichtung 9 optional auch noch so ausgebildet werden, daß sie den Winkelbereich, aus dem die Rückstrahlung stammt, bzw. der beleuchtet wird, entsprechend filtert. Letzteres ist zur Auswertung streuender Proben vorteilhaft.

Claims

Patentansprüche
1 . Meßvorrichtung zum optischen Erfassen von Eigenschaften einer Probe (P), umfassend - einen FD-OCT (1 ), der einen Beleuchtungsstrahlengang zur Beleuchtung eines linienförmigen Bereiches der Probe (P), einen Detektionsstrahlengang zur Erfassung von Rückstrahlung von der Probe (P), eine Überlagerungseinrichtung (3) zur Überlagerung der erfaßten Rückstrahlung mit Referenzstrahlung und ein Spektrometer (5) aufweist,
wobei die Rückstrahlung sich längs einer Linienrichtung linienförmig erstreckt, welche quer zur Ausbreitungsrichtung der Rückstrahlung liegt, und wobei die Linienform dem linienförmigen Probenbereich zugeordnet ist, und
wobei das Spektrometer (5) die linienförmige Rückstrahlung quer zur Linienrichtung spektral auffächert und auf einen 2D-Detektor (8) leitet, der eine Matrix von Detektorpixeln (23) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
dem Detektor (8) ein Polarisationsfilter (7) vorgeordnet ist, der in einer Matrix angeordnete, polarisationsmanipulierende Elemente (32-35) aufweist, wobei die Matrix der polarisationsmanipulierenden Elemente (32-35) der Matrix der Detektorpixel (23) entspricht und wobei mehrere Arten von polarisationsmanipulierenden Elementen (32-35) vorgesehen sind, die sich hinsichtlich der von ihnen gefilterten Polarisationszustände unterscheiden und sich in der Matrix der polarisationsmanipulierenden Elemente (32-35) in einem bestimmten Muster wiederholen.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mindestens vier Arten von polarisationsmanipulierenden Elementen (32-35) vorgesehen sind, die eine Filterung linearer Polarisationszustände bei 0 °, 45 °, 90° und eines zirkulären Polarisationszustandes bewirken.
3. Meßvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im bestimmten Muster eine Gruppe (36) gebildet ist, in der alle Arten der polarisationsmanipulierenden Elemente (32-35) zusammengefaßt sind und die sich im bestimmten Muster wiederholt.
4. Meßvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Beleuchtungsstrahlengang vorgesehene Einrichtung zum Einstellen eines
Polarisationszustandes von Strahlung, mit der der Bereich der Probe (P) beleuchtet ist.
5. Meßvorrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Winkeleinstelleinrichtung (9) vorgesehen ist, mit der ein Einstrahlwinkel unter dem im Beleuchtungsstrahlengang der Bereich der Probe (P) beleuchtet ist, und ein Detektionswinkel, unter dem im Detektionsstrahlengang die Rückstrahlung erfaßt ist, einstellbar ist, wobei Einstrahl- und Detektionswinkel auf eine Normale einer Oberfläche der Probe (P) bezogen sind.
6. Meßvorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9) zur Selektion eines Einstrahl- und/oder Rückstrahlungswinkelbereiches, wobei die Einrichtung eine
Blende umfaßt, die insbesondere variabel einstellbar sind.
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