DE102008062879A1

DE102008062879A1 - Verfahren und Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie

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Publication number: DE102008062879A1
Application number: DE102008062879A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. Körner; Wolfgang Prof. Dr. Osten
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: WO2010040570A1; EP2347215A1; US8605289B2; US20110235045A1; DE102008062879B4

Abstract

Verfahren und Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie zur Abstandsmessung, zur 3-D-Erfassung eines Objekts, zur OC-Tomografie mit einem objektabbildenden Interferometer und mindestens einer Lichtquelle. Das Interferometer weist an jedem optisch erfassten Objektelement einen optischen Gangunterschied ungleich null auf. So weisen die Maxima eines sinusoidalen Frequenz-Wavelets, zugehörig zu jedem erfassten Objektelement, jeweils einen Frequenzabstand Deltaf_Objekt auf. Zur Aufnahme des Objekts ist mindestens ein spektral integral detektierender, gerasteter Detektor angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle mit Frequenzkamm ausgebildet und die Frequenzkamm-Abstände Deltaf_Quelle werden beim Messen vorbestimmt über der Zeit in einem Scan verändert. Die Frequenzabstände Deltaf_Quelle werden dabei für jedes Objektelement zumindest einmal gleich dem Frequenzabstand Deltaf_Objekt oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenzabstände Deltaf_Objekt gemacht. Dies kann aber auch durch einen Scan im objektabbildenden Interferometer erfolgen. Im Scan wird eine Modulation in einem Signalverlauf erzeugt und sequenziell mittels gerasterten Detektors detektiert. Die in diesem Signalverlauf, beispielsweise am Modulationsmaximum, aktuelle Größe der Frequenzkamm-Abstände Deltaf_Quelle wird bestimmt und dient im Weiteren der Berechnung des zugehörigen optischen Gangunterschiedes eines detektierten Objektelements. Daraus werden Abstände von Objektelementen oder Änderungen der optischen ...

Description

Stand der Technik
Das sequenzielle Aufnehmen von Daten aus verschiedenen Tiefen des Objektraumes mittels Durchfokussierung spielt bei der mikroskopischen Weißlicht-Interferometrie bekannterweise eine funktionstragende Rolle. Dazu finden sich Hinweise in den folgenden Schriften:

[1] Balasubramanian N: Optical system for surface topography measurement. US Patent. No. 4.340.306 (1982),
[2] Kino GS, Chim S: Mirau correlation microscope. Appl. Opt. 29 (1990) 3775–3783,
[3] Byron SL, Timothy CS: Profilometry with a coherence scanning microscope. Appl. Opt. 29 (1990) 3784–3788,
[4] Dresel Th, Häusler G, Venzke H: Three-dimensional sensing of rough sufaces by coherence radar. Appl. Opt. 31 (1992) 919–925,
[5] Deck L, de Groot P: High-speed noncontact profiler based on scanning white-light interferometry. Appl. Opt. 33 (1994) 7334–7338,
[6] Windecker R, Haible P, Tiziani H J: Fast coherence scanning interferometry for measuring smooth, rough and spherical surfaces. J. Opt. Soc. Am 42 (1995) 2059–2069.

Die Ansätze [2] [3] [5] [6] zur Weißlicht-Interferometrie, oft auch als Kurzkohärenz-Interferometrie bezeichnet, sind in der Regel eher auf den mikroskopischen Bereich beschränkt. Diese Ansätze sind nicht in weitem Maße hinsichtlich Auflösungsvermögen und Tiefenmessbereich in Richtung gröberer Skalen skalierbar, da diese Verfahren in der Regel sehr eng an die verwendete Größe der Lichtwellenlänge gebunden sind. Kurzkohärenz-Interferometrie im infraroten Spektralbereich führt meist zu sehr vielen technischen Problemen und hohen Kosten.
Außerdem sind die Ansätze [1],[2], [3], [4], [5] und [6] und sowie der Ansatz von G. Häusler, dargestellt in DE 10 2005 023 212 B4 [7], in einer Messanordnung oder Sensoranordnung nur bedingt miniaturisierbar, da hierbei der Objekt- oder der Referenzarm des Interferometers mit bewegten Komponenten ausgebildet werden muss, da in einem von beiden Armen der optische Gangunterschied verfahrensgemäß verändert werden muss. Dies erfordert ein gewisses Bauvolumen für die Mittel zur Bewegung von Komponenten in einem dieser Arme. Die Anwendung des erfinderischen Ansatzes [7] erfordert Mittel zur Veränderung der optischen Weglänge sowohl im Referenzarm als auch im Objektarm. Das ist in vielen Fällen, beispielsweise bei der Anwendung in einem Endoskop, nur mit einem vergleichsweise großen technischen Aufwand und vergleichsweise hohen Kosten zu realisieren.
Weißlicht-Interferometrie-Sensoren auf der Basis der in [1]–[7] beschriebenen Ansätze erlauben außerdem für stark volumenminimierte Anordnungen in der Regel keine Messungen an Objekten mit Abständen zwischen Objekt und Sensor im Bereich von einem oder mehreren Metern, da bei der Messung die optische Weglänge im Referenzarm mindestens einmal gleich der optischen Weglänge im Objektarm gemacht werden muss. Dies führt auch bei gefalteten Anordnungen in der Regel zu einem erheblichen Bauvolumen des Sensors.
In der Veröffentlichung von T. Bajraszewski u. a. „Improved spectral optical coherence tomography using optical frequency comb” [8] in Optics Express 17 March 2008/Vol. 16, No. 6, S. 4163 bis 4176 wird eine OCT-Anordnung (OCT = Optische Kohärenz-Tomografie) mit einem Frequenzkamm-Laser für die Augenheilkunde beschrieben, wobei die OCT-Anordnung ein durchstimmbares Fabry-Perot-Interferometer in einer Frequenzkamm-Laser-Anordnung enthält sowie ein Spektrometer beinhaltet. Das Ziel ist hier die Verbesserung der Tiefenauflösung bei der OCT. Eine schnelle flächenhafte Single-shot-Messung ist nur mit sehr großem technischen Aufwand durchzuführen, da die Detektion eines Objekts lateral seriell erfolgt.
In der Schrift US 7391 520 B2 [9] wird ein OCT-Ansatz mit einem Detektor mit einer Vielzahl von Spektralkanälen, also einem Spektrometer dargestellt. Durch die hier jeweils gegebene Notwendigkeit der Anwendung eines Spektrometers im optischen Messsystem kann ein Objekt jedoch nicht zu einem Zeitpunkt flächenhaft oder bildhaft aufgenommen werden, sondern in der Regel nur punktweise; also muss die flächenhafte Detektion eines Objekts lateral seriell erfolgen. Dies ist für die in [8] und [9] beschriebenen Applikationen sicher auch akzeptabel. Diese Ansätze erlauben weiterhin jedoch eher keine Applikation für die Messung makroskopischer Objekte, sondern sind aus wirtschaftlichen Gründen auf die Messung vergleichsweise kleiner Objekte beschränkt. Auch ist die Messung von Objekten großer Tiefenausdehnung und großem Abstand mit derartigen Ansätzen eher nicht möglich.
In der Veröffentlichung von Choi, S.; Shioda, T.; Tanaka, Y.; Kurokawa, T.: Frequency-Comb-Based Interference Microscope with a Line-Type Image Sensor, Japanese Journal of Applied Physics Vol. 46, No. 10A, 2007, S. 6842–6847 [10] wird ein Interferenzmikroskop mit einem Frequenzkamm-Laser mit Durchstimmung der Frequenzintervalle beschrieben. Mit diesem Ansatz ist jedoch kein Objekt mit einer vergleichsweise großen Tiefenausdehnung vollständig messbar, wenn eine vergleichsweise große numerische Apertur bei der Objektabbildung eingesetzt werden soll, um eine hohe laterale Auflösung zu erreichen. Weiterhin ist für die Nutzung dieses Ansatzes zur schnellen Messung eines Objektes mit einer vergleichsweise großen Tiefenausdehnung entweder eine Hochgeschwindigkeitskamera, oder eine kurzgepulste Frequenzkamm-Laser-Quelle oder eine schnelle Abschattvorrichtung zwingend notwendig, da sich bei der dann erforderlichen schnellen Durchstimmung der Frequenzintervalle des Frequenzkamm-Lasers auch eine große Phasenwinkelgeschwindigkeit in der abzutastenden Interferenzerscheinung am Ausgang des Interferometers ergibt. Diese Mittel sind entweder aufwendig und kostenintensiv oder führen letztlich bei der Detektion der Interferenzerscheinung zu Signalen mit einem eher schlechten Signal-Rausch-Verhältnis.
Bekannte Ansätze mit einem, dem Objekt-Zweistrahl-Interferometer zugeordneten zweiten scannenden Zweistrahl-Interferometer, wie in der Schrift GB 2355210 A von K. Ehrmann dargestellt, liefern Interferenzsignale mit einem verringerten Kontrast, was die Signalauswertung erschweren kann. Außerdem ist hierbei eher nicht die Möglichkeit der Skalierbarkeit des Messverfahrens hinsichtlich eines großen Tiefenmessbereichs gegeben.
In der Schrift DD 240824 A3 ist von J. Schwider bereits 1972 die Anwendung eines Fabry-Perot-Etalons in Reflexion in einem spektralen Weißlicht-Zweistrahl-Interferometer als Justierhilfe beschrieben. Ebenfalls von J. Schwider wird 1994 in der Schrift DE 44 05 450 A1 die Anwendung eines eher dünnen Fabry-Perot-Resonators im Strahlengang eines spektralen Weißlicht-Zweistrahl-Interferometers beschrieben, um auch bei größeren Abständen zwischen einem Objekt und einer Referenzfläche in einem Fizeau-Interferometer noch auswertbare Interferogramme zu erhalten. Hierbei ging es um die Sichtbarmachung von Interferenzen. Eine Aufnahme von Objekten mit konfokaler Filterung ist hierbei nicht möglich. Die Möglichkeit der Skalierbarkeit des Messverfahrens hinsichtlich eines großen Tiefenmessbereichs ist hiermit nicht gegeben.
Weiterhin wird in der Offenlegungsschrift DE 3623265 A1 in 7 ein Fabry-Perot-Interferometer zur Lagemessung eines Spiegels in Verbindung mit einem zweiten Interferometer zur Erzeugung eines räumlich ausgebreiteten Interferogramms dargestellt. Mit einer derartigen Anordnung können ausgedehnte Spiegel, jedoch nicht kleine Objekte angetastet werden, da eine scharfe Abbildung kleiner Objekte über ein Vielstrahl-Interferometer eher nur sehr eingeschränkt möglich ist.
Beschreibung der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht zum einen darin, Messsysteme mit einer weitskalig anpassbaren Mess- oder Abtastgenauigkeit – je nach Bedarf von Subnanometerauflösung bis Millimeterauflösung – der wirtschaftlichen Nutzung zuzuführen. Das Ziel ist hierbei auch eine hohe Robustheit der Messung.
Dabei soll unter Inkaufnahme einer gegebenenfalls geringeren Tiefenauflösung auch bei großen Objektentfernungen oder großen Objekttiefen oder auch an schwierigen Objektoberflächen mit miniaturisierten Sensoren gemessen werden können.
Damit ist also die erfinderische Aufgabe zu lösen, beim optischen Antasten der Objektoberfläche in verschiedenen Tiefen des Objektraumes oder Objektabständen optische Signale aus diesen Tiefen, beispielsweise auch bei Objektabständen in der Größenordnung von einem Meter, in bestgeeigneter, also möglichst gut auswertbarer Signalform für ein flächenhaftes Messfeld oder wenigstens für ein linienhaftes Messfeld bereitzustellen. Es sollen dabei viele lateral benachbarte Objektelemente oder Objektpunkte gleichzeitig angemessen werden können. Das heißt, es besteht die Aufgabe, gut auswertbare optische Signale bei der optischen Antastung von Objekten durch das erfindungsgemäße Verfahren mittels einer das Objekt flächenhaft oder linienhaft detektierenden Kamera möglichst schnell bereitzustellen. Die zu gewinnenden optischen Signale sollen zu möglichst eindeutigen Messergebnissen führen. Dabei soll auf den Einsatz eines Spektrometers oder mehrerer Spektrometers im interferometrischen Messsystem in allen Fällen vollständig verzichtet werden können. Farbkameras sollen jedoch als Detektoren einsetzbar sein.
Hier wird der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über den Infrarot- bis zum tiefen UV-Bereich verwendet.
Darüber hinaus soll für Messungen auch in einer größeren oder einer gröberen Skala durch Anwendung der Erfindung auch beim Einsatz von Lichtquellen mit einer spektralen Halbwertsbreite von beispielsweise nur 5 nm bis 10 nm noch Signale hoher Eindeutigkeit gewonnen werden. Der Einsatz von spektral schmalbandigen Lichtquellen bringt erhebliche technische und wirtschaftliche Vorteile bei der Realisierung eines optischen Messsystems, da dann die chromatischen Einflüsse und Aberrationen der eingesetzten optischen Komponenten eine eher kleinere Rolle spielen.
Eine weitere Aufgabe besteht hier auch darin, mit verschiedenen, nach dem erfinderischen Ansatz ausgebildeten Sensoren, jeweils in allen drei Raumkoordinaten – einschließlich der Tiefe – also weitskalig messen zu können. Das soll auch in einem Messvolumen von beispielsweise 20 μm × 20 μm × 20 μm bis zu einem Kubikmeter möglich sein. Die Grenzen hinsichtlich des erfassbaren Messvolumens nach oben sind nur durch die verfügbare Lichtenergie und auch durch die verfügbare Messzeit bestimmt. In der mikroskopischen Skala macht sich nur die Beugungsbegrenzung als begrenzender Faktor bei der lateralen Auflösung bemerkbar, wobei mittels geeigneter numerischer Verfahren die erreichbare effektive laterale Auflösung noch gesteigert werden kann. Bei der Tiefenauflösung soll bei Einsatz geeigneter Komponenten auch eine Subnanometerauflösung erreicht werden. Damit soll eine weite Skalierbarkeit der Messmethode insbesondere hinsichtlich der Messauflösung in der Tiefe bestehen. Dabei soll ein Sensor vergleichbar kleine Abmessungen aufweisen.
Einsatzgebiete der erfinderischen Lösung sollen sein: Die Mikroform- und die Mikroprofilmessung, die Messung der Rauheit sowie auch die Miniform-Messung, die Form-Messung an nicht oder nur wenig kooperativen Oberflächen, wie auch z. B. menschliches Lebergewebe. Ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung ist hier auch die Erfassung der Mikroform am Innenohr beim Menschen in der chirurgischen Operationsphase sowie die intraorale Formerfassung von menschlichen Zähnen.
Weiterhin ist ein Einsatzgebiet der Erfindung die Formerfassung an technischen Zähnen in Getrieben und an Objekten mit hohem Aspektverhältnis. Darüber hinaus ist ein auch bevorzugtes Einsatzgebiet die hochgenaue Messung der Form von teilspiegelnden, schwach lichtstreuenden und dabei stark geneigten Getriebezahnflächen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet stellt auch die Messung von polierten und nichtpolierten Asphären in Transmission sowie spiegelnden Asphären, Brillengläsern und Freiformflächen, insbesondere für die optische Abbildung dar.
Die Erfindung soll auch für geometrische Messungen in der Augenheilkunde eingesetzt werden können. Der Einsatz bei endoskopische 3D-Systemen soll zu gut miniaturisierbaren Sensor-Lösungen hoher Messgenauigkeit führen.
Die Erfindung soll auch für die Bestimmung der optischen Dicke n'·d, mit n' als optischem Brechungsindex und d als der geometrischen Weglänge, oder der optischen Weglängen n'·d von biologischen Mikroobjekten, Zellen oder Zellbestandteilen in der markierungsfreien Diagnostik und Analyse eingesetzt werden können. Hierbei sollen Zellen oder Zellbestandteile lateral hochaufgelöst, also auch bildhaft, hinsichtlich der Verteilung und Variation ihrer optischen Dicken gemessen werden können. Darüber hinaus sollen auch lebende Zellen oder Bestandteile lebender Zellen hinsichtlich der optischen Dickverteilungen oder deren Veränderungen in einem Prozess bildhaft im Durchlicht oder Auflicht erfasst werden können.
Mit dem Verfahren und der Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Abtastvorgang sollen auch Daten aus einem optischen Volumenspeicher, beispielsweise in Form eines optischen Mehrlagenspeichers, ausgelesen werden können, so dass das Verfahren grundsätzlich auch zur schnellen Auslesung optischer Daten aus optischen Volumenspeichern eingesetzt werden kann.
Eine besondere Motivation für die Anwendung der Erfindung bei allen Applikationen ist die Nutzbarmachung des „interferometric gain” für Messungen auch in einer eher makroskopischen Skala. Das ist beispielsweise im Maschinenbau von sehr großem Vorteil, weil viele Objekte keine interferometrische Tiefenauflösung erfordern, jedoch vom bekannten „Interferometric Gain” profitieren. So können mittels Interferometrie auch Objektelemente geringster Reflektivität messtechnisch noch vergleichsweise gut in der Tiefe erfasst werden.
Merkmale zum Hauptanspruch des Verfahrens
Es handelt sich um ein Verfahren und Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Messvorgang zur relativen oder absoluten Tiefenmessung oder Abstandsmessung eines technischen oder biologischen Objekts oder von Objektelementen, zur mikroskopischen, mesoskopischen oder makroskopischen 2D- oder 3D-Erfassung von technischen oder biologischen Objekten oder zur OC-Tomografie oder zur OC-Mikroskopie oder zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik oder zur Messung von Schichtdicken, lateral oder über der Zeit aufgelöst, oder deren lateralen oder zeitlichen Änderungen.
Mit dem Verfahren und der Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Abtastvorgang können auch Daten aus einem optischen Volumenspeicher, beispielsweise in Form eines optischen Mehrlagenspeichers, ausgelesen werden, so dass das Verfahren grundsätzlich auch zur schnellen Auslesung optischer Daten aus optischen Volumenspeichern eingesetzt werden kann. Hierbei werden das Vorhandensein und die geometrische Verteilung von reflektierenden oder lichtstreuenden Elementen in einem Volumen eines Datenträgers erfasst.
Im Folgenden wird das Verfahren beschrieben. Dabei werden im Verfahren die folgenden Mittel eingesetzt:
entweder ein konfokales, objektabbildendes Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik
oder ein chromatisch-konfokales objektabbildendes Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik – also mit vorbestimmter chromatischer Tiefenaufspaltung von Foki im Objektraum,
mindestens eine Lichtquelle, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz- über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird.
Dabei weist das objektabbildende Interferometer an jedem optisch erfassten Objektelement einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied x_O auf. Dieser soll mindestens zwei Mikrometer betragen. Der optische Gangunterschied kann typischerweise jedoch auch wesentlich größer sein – im Extremfall bis zum Bereich von mehreren Millimeter oder bis zu mehreren Meter. Auf der Basis dieses optischen Gangunterschiedes x_O weisen die Maxima eines – zu einem optisch erfassten Objektelement jeweils zugehörigen – zumindest näherungsweise sinusoidalen Frequenz-Wavelets rechnerisch jeweils einen Frequenzabstand von Δf_Objekt = c/x_O auf – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im objektabbildenden Zweistrahl-Interferometer, zugehörig zum jeweils optisch erfassten Objektelement. Die Größe Δf_Objekt entspricht genau der Periodenlänge im Wavelet.
Weiterhin ist mindestens, ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor, also beispielsweise mit sehr vielen mit Pixeln, für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet. In der Regel ist dieser gerasterte Detektor also vorzugsweise mit einem einzigen spektralen Kanal in jedem Pixel ausgebildet. Das kann also eine übliche Grauwert-CCD- oder Grauwert-CMOS-Kamera sein, die nur Grauwerte, aber keine Farben in jedem Pixel registriert. Der Einsatz einer Farbkamera ist möglich, die ebenfalls noch nicht als Spektrometer angesehen wird, sondern als Kamera mit drei oder vier Spektralkanälen.
Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle als eine Frequenzkamm-Lichtquelle im optischen System ausgebildet. Der Frequenzkamm überdeckt dabei einen gewissen Spektralbereich. Die Frequenzkamm-Abstände der Lichtquelle Δf_Quelle werden im Messvorgang nach und nach über der Zeit vorbestimmt im gesamten Spektralbereich der Lichtquelle verändert. Dabei können sich diese Frequenzkamm-Abstände im Bereich einiger Promille bis einiger Prozent des Ausgangswertes ändern. Im Extremfall können die Änderungen sogar ein Mehrfaches oder einen kleinen Bruchteil des Ausgangswertes der Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle betragen. Diese Änderungen der Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle, können also – relativ betrachtet – sehr groß gemacht sein.

– Dabei ist entweder die Lichtquelle zum einen durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle oder zumindest durch eine Quasi-Kontinuums-Lichtquelle dargestellt und dieser Lichtquelle ist ein Vielstrahl-Interferometer mit im Messvorgang vorbestimmtem Verändern der optischen Verzögerungslänge Y des Vielstrahl-Interferometers nachgeordnet, so dass zumindest näherungsweise eine Frequenzkamm-Charakteristik bei der Detektion gebildet wird. Diese Nachordnung bezieht sich auf den gesamten Raum des optischen Systems, eingeschlossen der Raum unmittelbar vor dem gerasterten Empfänger, also im Detektionsstrahlengang. Also ist das Vielstrahl-Interferometer der Lichtquelle stets nachgeordnet und dem gerasterten Detektor vorgeordnet. Dabei beträgt bei einem Fabry-Perot-Interferometer die Verzögerungslänge Y = 2L mit L als dem Abstand der Interferometer-Endspiegel. Dies gilt genau betrachtet nur für eine Vakuum-Anordnung, beziehungsweise näherungsweise für eine Luftanordnung, wenn der Brechungsindex mit dem Wert eins approximiert wird. Bei der mehrfachen sukzessiven Detektion der elektromagnetischen Strahlung im Messvorgang wird jeweils eine vorbestimmte Veränderung des Frequenzkamms hinsichtlich der Frequenzabstände der Maxima oder Spikes mittels vorbestimmtem Verändern dieser optischen Verzögerungslänge Y durchgeführt, wobei die Frequenzabstände Δf_Quelle der Maxima oder der Spikes im Frequenzkamm jeweils Δf_Quelle = c/Y betragen, mit c als Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, und diese Frequenzabstände Δf_Quelle beim Messvorgang mittels vorbestimmtem Verändern der optischen Verzögerungslänge Y vorbestimmt verändert werden. Dies kann mittels eines Piezo-Translators am Spiegel eines Fabry-Perot-Interferometers erfolgen.
– Zum anderen ist es auch möglich, die Lichtquelle durch einen Frequenzkamm-Laser darzustellen, der eine optische Verzögerungslänge Y aufweist. Dieser Frequenzkamm-Laser ist mit einem zumindest näherungsweise äquidistanten Frequenzkamm, jedoch über der Zeit vorbestimmt variablen Frequenzabständen Δf_Quelle der Maxima oder Spikes im Frequenzkamm, ausgebildet.

Die Frequenzabstände Δf_Quelle entsprechen beim vorbestimmten Verändern des Frequenzkamms im scannenden Messvorgang dabei zumindest einmal genau einem ganzzahligen Vielfachen n, mit n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ..., der rechnerischen Frequenzabstände Δf_Objekt = c/x_O – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im (objektabbildenden) Zweistrahl-Interferometer, zugehörig zu einem jeweils optisch erfassten Objektelement P.
Dann beträgt die Verzögerungslänge Y in der Frequenzkamm-Licht-Quelle einen ganzzahligen Teil des optischen Gangunterschiedes x_O im objektabbildenden Zweistrahl-Interferometer oder die Verzögerungslänge Y ist gleich dem optischen Gangunterschiedes x_O, was dem Fall n = 1 entspricht. Somit gilt: x_O = n·Y, mit n = 1, 2, 3....
Diese Gleichheit wird durch Verändern der Verzögerungsweglänge Y in der Lichtquelle mindestens einmal im Messvorgang für jedes angetastete Objektelement oder Objekt erzeugt, wodurch eine kurzperiodische Modulation im Signalverlauf auftritt. Dieser Signalverlauf wird über der Zeit mittels spektral integral detektierenden, gerasterten Detektors mehrfach abgetastet, wobei zu einem Objektelement optisch jeweils mindestens ein Pixel dieses spektral integral detektierenden, gerasterter Detektor zugehörig ist. Auch die Pixel einer Farbkamera können hier noch als spektral integral detektierende Sensorelemente im Vergleich zu den Sensorelementen eines Spektrometers angesehen werden.
Die

– entweder zur maximalen Modulation des Signalverlaufs,
– oder zum Signalmaximum des Signalverlaufs
– oder die zum Signalschwerpunkt des Signalverlaufs

Dabei kann die Verzögerungslänge Y_Mod beim Auftreten der Modulation des Signalverlaufs mit Y_Mod = 2L_Mod aus dem aktuellen Abstand L_Mod der Endspiegel eines Vielstrahl-Interferometers durch ein zugeordnetes Messsystem bestimmt werden. Bei einem Vielstrahl-Interferometer in Luft kann der Brechungsindex in der Regel – insbesondere in der mikroskopischen Skala – mit dem Wert eins gut angenähert werden. Dabei ist es auch möglich, dass für unterschiedliche Objektelemente i nur Veränderungen der Verzögerungslänge Y_Mod i für die unterschiedlichen Objektelemente i ermittelt und ausgewertet werden, indem die aktuellen Abstände L_Mod i der Endspiegel des Vielstrahl-Interferometers ermittelt und gespeichert werden und der Berechnung der zugehörigen optischen Gangunterschiede x_O i zugänglich gemacht werden.
Durch den vorbestimmten Scan der Frequenzabstände der Lichtquelle werden also Δf_Quelle und Δf_Objekt eines Objektelements zu einem Zeitpunkt, also zumindest vergleichsweise kurzzeitig, einmal im Messvorgang gleichgemacht, bzw. die Frequenzabstände der Lichtquelle Δf_Quelle betragen im Messvorgang zumindest vergleichsweise kurzzeitig ein ganzzahliges Vielfaches n des rechnerischen Frequenzabstandes Δf_Objekt.
Also werden durch den vorbestimmten Scan die Frequenzabstände der Lichtquelle Δf_Quelle zu einem Zeitpunkt im Messvorgang gleich einem ganzzahligen Vielfachen n von Δf_Objekt des rechnerisch mit Δf_Objekt = c/x_O bestimmbaren Frequenz-Wavelets des Objekts gemacht.
Beim vorbestimmten Verändern der Frequenzabstände Δf_Quelle – also im Messvorgang – wird der gerasterte Detektor elektromagnetischer Strahlung mehrfach sukzessive ausgelesen und in jedem Pixel des gerasterten Detektors werden die Intensitäten dabei zumindest zum Teil spektral integral aufsummiert. Der Detektor kann dabei eine flächenhafte monochrome CCD- oder eine CMOS-Kamera sein. Dabei ist jedem Objektelement zumindest näherungsweise durch optische Abbildung mindestens ein Pixel zugeordnet. Mittels einer Farbkamera kann beim chromatisch-konfokalen Ansatz eine Grobinformation über Objektabstände gewonnen werden, indem die Intensitäten in den Farbpixel ausgewertet werden.
Es ist aber auch möglich, dass der Detektor eine Farb-CCD- oder Farb-CMOS-Kamera ist. Dann sind jedem Objektelement drei oder vier Pixel, jedoch in unterschiedlichen Spektralbereichen zugeordnet.
So wird beim vorbestimmten Verändern der Frequenzabstände Δf_Quelle für jedes erfassbare Objektelement der Fall Δf_Quelle = n·Δf_Objekt, beziehungsweise x = n·Y, mit n = 1, 2, 3... mindestens einmal erreicht. Dabei wird mindestens eine kurzperiodische Signalmodulation im Signalverlauf erzeugt, detektiert und ausgewertet.
Dabei wird entweder über die bekannte vorbestimmte Veränderung der optischen Verzögerungslänge Y des Vielstrahl-Interferometers, die der Veränderung der Frequenzabstände Δf_Quelle zu Grunde liegt, beim Auftreten der kurzperiodischen Signalmodulation im Signalverlauf der optische Gangunterschied x_O des zugehörigen Objektelements oder zumindest die Differenz des optischen Gangunterschiedes in Bezug zu Nachbar-Objektelementen aus dem Wert „Δf_Quelle_Mod” ermittelt.

– Oder, es wird der optische Gangunterschied x_O, zugehörig zu einem Objektelement, auch absolut in Bezug zur Position „Y = 0” im Vielstrahl-Interferometer aus dem Wert „Δf_Quelle_Mod” bestimmt, wenn die optische Verzögerungslänge Y desselben absolut durch Messung von Y bekannt gemacht ist.
– Oder, es werden bei einem Frequenzkamm-Lasers mit vorbestimmt veränderlichem Frequenzkamm und genauer Kenntnis der jeweiligen Frequenzabstände Δf_Quelle beim Auftreten der kurzperiodischen Signalmodulation im Signalverlauf die zugehörigen Frequenzabstände „Δf_Queue_Mod” ermittelt und der optische Gangunterschied x_O des zugehörigen Objektelements mit x_O = c/Δf_Quelle_Mod wird aus den Werten „Δf_Quelle_Mod” rechnerisch bestimmt.
– Oder, es wird aus der bekannten vorbestimmten Veränderung der Frequenzabstände Δf_Quelle zumindest eine Information über den optischen Gangunterschied x_O des zugehörigen Objektelements in Bezug auf benachbarte Objektelemente, also die Differenz des jeweiligen optischen Gangunterschiedes zu mindestens einem benachbarten Objektelement, errechnet, indem die beim Auftreten der kurzperiodischen Signalmodulation im Signalverlauf die zu jedem Objektelement i zugehörigen Frequenzabstände Δf_Quelle_Mod i ermittelt werden.

Vorzugsweise wird bei zumindest näherungsweiser Kenntnis der optischen Brechzahl n' oder der Brechzahlverteilung im Objektraum der Abstand z_O eines jeweils optisch erfassten Objektelements absolut oder in Relation zu benachbarten Objektelementen aus dem vorab bestimmten optischen Gangunterschied mit der Beziehung x_O = 2n'·z_O zumindest näherungsweise rechnerisch ermittelt.
Vorzugsweise kann aber auch allein die Bestimmung des optischen Gangunterschieds x_O oder deren Änderungen Δx_O über der Zeit das Ziel der Messung sein, beispielsweise bei der Messung dünner biologischer Objekte.
Bei einer chromatischen Tiefenaufspaltung wird im chromatisch-konfokalen Ansatz durch die konfokale Diskriminierung vom Gesamt-Spektrum der Lichtquelle, auch als globales Spektrum bezeichnet, stets nur ein Teilbereich verwendet, d. h. es trägt jeweils nur ein Teilbereich des Gesamtspektrums der Lichtquelle zur Signalbildung in den Pixeln des gerasterten Detektors bei. Die chromatische Tiefenaufspaltung vergrößert somit bei einer gegebenen numerischen Apertur den Tiefen-, Abstands- oder Entfernungsmessbereich, verringert aber gleichzeitig die Tiefenauflösung, da sich die Halbwertsbreite des detektierten Signals mit kleiner werdendem genutzten Spektralbereich vergrößert. Dadurch verringert sich die Tiefen-Messauflösung.
Durch die vorzugsweise vorbestimmte Wahl des Grades der chromatischen Aufspaltung bei der Objektbeleuchtung und Objektdetektion können also Tiefenmessbereich und Tiefen-Messauflösung, beziehungsweise Abstandsmessbereich und Abstands-Messauflösung, bei der Messung durch die Wahl der Größe der chromatischen Brechkraft eines Sensors und damit der zur Detektion kommenden spektralen Breite des verwendeten Lichts gewählt werden. Gibt es keine chromatische Aufspaltung im Sensor, entscheidet allein die Breite des Gesamtspektrums der Lichtquelle, also der zur Detektion beitragende Wellenzahlbereich, über die erreichbare Tiefenmessauflösung.
Bei Anordnungen mit einem objektabbildenden System mit eher kleiner oder sehr kleiner numerischer Apertur für Messungen in einer groben Skala kann auch auf die chromatische Tiefenaufspaltung vollständig verzichtet werden, wenn der wellenoptische Schärfentiefebereich für die Messaufgabe ausreichend groß ist.
Merkmale vorwiegend zu Unteransprüchen des Verfahrens
Vorzugsweise wird die Signalmodulation im detektierten Signalverlauf zur Bestimmung der absoluten oder relativen Objekttiefe ausgewertet, wenn beim vorbestimmten Verändern des Frequenzkamms der Fall Δf_Quelle_Mod = Δf_Objektauftritt, was dem Fall x_O = Y_Modentspricht. Hier gilt n = 1. Dann erfolgt keine Unterabtastung des Signalverlaufs und es entsteht in der Regel ein vergleichsweise gutes Signal-Rausch-Verhältnis.
Bei einer optischen Unterabtastung, also n größer 1, reduziert sich vorteilhafterweise der notwendige Scanweg oder Scanbereich durch den Faktor n der Unterabtastung. Jedoch müssen die Signalverläufe dann gegebenenfalls feiner in der Tiefe abgetastet werden, da diese dann in der Breite über der Wellenzahl schmaler werden.
Dabei ist es auch möglich, mehrere Signalverläufe mit einer Signalmodulation durch Verändern der Frequenzabstände Δf_Quelle nacheinander zu detektieren. Aus den jeweils bekannten optischen Verzögerungslängen-Änderungen ΔY1, ΔY2, ΔY3..., die den Signalverläufen mit einer Signalmodulation bei deren Auftreten zugeordnet werden, kann darin deren Ordnung n absolut bestimmt werden. Daraus lassen sich die jeweilige Verzögerungsweglänge Y1, Y2, Y3.... absolut und daraus der optische Gangunterschied x_O für jedes detektierte Objektelement im objektabbildenden Interferometer absolut mittels eines vergleichsweise einfachen linearen Gleichungssystems errechnen. Daraus kann dann die Objektiefenposition z_O oder der Abstand eines Objektelements in Bezug auf eine System-Referenz bestimmt werden.
Weiterhin ist es aber auch vorzugsweise möglich, dass die Lichtquelle als eine Frequenzkamm-Lichtquelle mit einer unveränderlichen optischen Verzögerungslänge Y im optischen System ausgebildet ist, vorzugsweise als Frequenzkamm-Mikro-Resonator, wie bereits in der Literatur 2007 beschrieben. Die Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle werden somit konstant gehalten. Verändert wird im Messvorgang hierbei demzufolge der optische Gangunterschied x des objektabbildenden Interferometers, indem dieses objektabbildende Interferometer als kompaktes miniaturisiertes Modul in Tiefenrichtung feinfühlig im Messvorgang in Relation zum Objekt bewegt wird und der gerasterte Detektor mehrfach ausgelesen wird. Auch hier wird der Signalverlauf beim Auftreten der Gleichheit von optischem Gangunterschied x_O in einem Objektelement und optischer Verzögerungslänge Y ausgewertet. Hierbei ist das objektabbildende Interferometer vorzugsweise als schlankes, miniaturisiertes Fizeau-Interferometer ausgebildet, das also Common-path-Eigenschaften aufweist. Ein derartiges optisches System mechanisch feinfühlig in Lichtrichtung zu bewegen, ist technisch in vielen Fällen gut machbar.
Weiterhin kann vorzugsweise die Größe der chromatischen Brechkraft im objektabbildenden Interferometer, wodurch sich der Grad der Tiefenaufspaltung ändert, gezielt an die Tiefe des zu messenden Objekts angepasst werden.
Weiterhin ist es möglich, vorzugsweise die Breite des verwendeten Lichtspektrums, also den Wellenzahlbereich, in Abhängigkeit von den Oberflächeneigenschaften des Objekts und auch von der Dispersion des optischen Mediums im Objektraum sowie der gewünschten Tiefenauflösung anzupassen. Dazu kann die Lichtquelle beispielsweise aus einzelnen Lichtquellen, beispielsweise Superlumineszenz-Dioden mit jeweils nachgeordnetem Fabry-Perot-Interferometer aufgebaut sein. Dies bedeutet, dass das Fabry-Perot-Interferometer dem gerasterten Detektor vorgeordnet ist. Dabei werden die Superlumineszenz-Dioden einzeln oder in kleineren Gruppen betrieben und geschaltet, um mit gut angepassten Spektralbereichen zu arbeiten, um für das jeweilige Objekt gut auswertbare optische Signalverläufe zu generieren. Es ist auch möglich, bei Anwendung starker Lichtquellen steuerbare Spektralfilter einzusetzen, welche die Breite des verwendeten Spektrums steuern und anpassen. Denn eine starke Dispersion im optischen Medium des Objektraumes kann die Modulationstiefe im Signalverlauf sehr stark reduzieren, wenn der verwendete Spektralbereich zu ausgedehnt ist. Eine starke Eingrenzung des verwendeten Spektralbereiches, also des Wellenzahl- beziehungsweise Frequenzbereiches, bringt zwar eine Verringerung der Messgenauigkeit durch eine Vergrößerung der Halbwertsbreite des Signals mit sich, aber das Messen wird gegebenenfalls überhaupt erst möglich gemacht.
Es kann erfindungsgemäß aber auch nur der optische Gangunterschied, bzw. die optische Weglänge, in einem Punkt oder Element eines Mikroobjekts, beispielsweise eine lebende Zelle, erfasst werden. Das heißt, die geometrische Weglänge ist nicht oder eher weniger von Interesse. Das kann beim markerfreien Monitoring von biologischen Zellen oder Zellbestandteilen von großem Interesse sein, da die Information über das Ablaufen von subzelluaren Prozessen sich bei vielen Vorgängen signifikant vor Allem in der Änderung der optischen Weglänge niederschlägt. Diese Änderung wird dann über der Zeit hochaufgelöst gemessen. So können darüber hinaus auch Anlagerungen von extrem dünnen Schichten an Substrate detektiert werden. Diese Schichten können beispielsweise aus Proteinen bestehen. Die Eliminierung der Dispersion kann in jedem Fall durch die Verwendung gleicher Medien, meist Flüssigkeiten, im Objektraum und im Vielstrahl-Interferometer oder Laser-Resonator erfolgen, wobei die optische Dämpfung des Mediums zu beachten ist.
Es kann aber erfindungsgemäß aber auch nur der optische Gangunterschied, bzw. die optische Weglänge, in einem Punkt oder Element eines Mikroobjekts erfasst werden. Das kann beim markerfreien Monitoring von biologischen Zellen oder Zellbestandteilen von großem Interesse sein, da die Information über das Ablaufen von subzelluaren Prozessen sich in der Änderung der optischen Weglänge signifikant niederschlägt. Diese wird dann über der Zeit hochaufgelöst gemessen.
Weiterhin kann vorzugsweise die Dispersion des Vielstrahl-Interferometers zumindest näherungsweise gleich der Dispersion im Objektraum gemacht werden. Dies ist bei Messung von biologischen Objekten in wässriger Lösung gut möglich, in dem das Vielstrahl-Interferometer, vorzugsweise ein gekapseltes Fabry-Perot-Interferometer, ebenfalls in Wasser betrieben wird, so dass Vielstrahl-Interferenz im Fabry-Perot-Interferometer in Wasser stattfindet. Dies führt zu Signalverläufen mit einem hohen Modulationsgrad, da so die Dispersionen recht gut angeglichen werden können.
Erfindungsgemäß wird weiterhin Folgendes vorgeschlagen: Es wird also – wie bereits beschrieben – ein vorbestimmter Scan der Frequenzabstände der Frequenzkamm-Lichtquelle durchgeführt, der hier im Weiteren als FC-Lang-Scan mit der Zeitdauer Δt_lang_fc bezeichnet wird, da dieser vorzugsweise kontinuierlich und vorzugsweise mindestens so lange durchgeführt wird wie eine Modulation im Signalverlauf auftritt, also ein veränderliches Interferenzbild am Ausgang des objektabbildenden Interferometers entsteht.
Dieser FC-Lang-Scan soll – wie bereits beschrieben – über die Veränderung Δy der Verzögerungslänge Y in einem Vielstrahl-Interferometer oder über die Veränderung Δy der optischen Verzögerungslänge Y im Resonator eines Frequenzkamm-Lasers durchgeführt werden. Erfindungsgemäß werden gleichzeitig zum Lang-Scan, also dem vorbestimmten Scan der Frequenzabstände der Lichtquelle, entweder im Referenzarm oder im Objektarm des objektabbildenden Interferometers, mindestens drei zu diesem FC-Lang-Scan synchronisierte Kurz-Scans durchgeführt, welche in ihrer Zeitdauer Δt_kurz_Int vorzugsweise deutlich kürzer als die Zeitdauer Δt_lang_fc des Lang-Scans gemacht werden. Diese Kurz-Scans bewirken – zumindest für einen Teil der Zeitdauer Δt_kurz_Int – eine Verringerung der Phasenwinkelgeschwindigkeit im mittels gerasterten Detektors aufzunehmenden Interferenzbild, einschließlich einer Phasenwinkelgeschwindigkeit mit dem Betrag null, indem in der Zeitdauer Δt_kurz_Int sowohl der Betrag der Verzögerungslänge Y und als auch der Betrag des optischen Gangunterschiedes x_O sich jeweils beide vergrößern oder sich jeweils beide verkleinern. Die sich ergebende Phasenwinkelgeschwindigkeit dϕ/dt im Bogenmaß beträgt somit im – zum Lang-Scan der Frequenzkamm-Lichtquelle – synchronisierten Kurz-Scan des objektabbildenden Interferometers zumindest näherungsweise: dϕ/dt = [2π·nΔY/(Δt_kurz_Int·λ_S)] – [2π·Δx_O/(Δt_kurz_Int·λ_S)]mit n als der ganzzahligen Ordnungszahl, mit ΔY/Δt_kurz_Int als Veränderung Δy der Verzögerungslänge Y in der Zeitdauer Δt_kurz_Int im Kurz-Scan, also einer Geschwindigkeit, und λ_S als der Schwerpunktwellenlänge und Δx_O/Δt_kurzInt als der Veränderung Δx_O des optischen Gangunterschiedes x_O in der Zeitdauer Δt_kurz_Int. Die Phasenwinkelgeschwindigkeit dϕ/dt wird null, wenn die Beträge und das Vorzeichen von nΔY und Δx_O in der Zeitdauer Δt_kurz_Int jeweils gleich sind.
Das setzt voraus, dass für n = 1 in der Zeitdauer Δt_kurz_Int, also im Kurz-Scan-Vorgang sowohl ΔY und als auch Δx_O sich jeweils beide um den gleichen Betrag vergrößern oder jeweils beide um den gleichen Betrag verkleinern. Dabei kann die Phasenwinkelgeschwindigkeit dϕ/dt hierbei durch die Synchronisation von FC-Lang-Scan und Kurz-Scan auch den Betrag null erreichen. Für den Betrag null verändert sich in der Zeitdauer Δt_kurz_Int das Interferenzbild nicht.
Diese Kurz-Scans, welche den optischen Gangunterschied im objektabbildenden Interferometer verändern, werden vorzugsweise mit Vorteil im Referenzarm durchgeführt, wenn das objektabbildende Interferometer mit einem chomatisch-konfokalen Strahlengang im Objektarm ausgebildet ist. In diesem Fall besteht somit eine chromatische Tiefenaufspaltung, welche eine scharfe Abbildung der optisch angetasteten Objektelemente im Messbereich ermöglicht, so dass ein Scan im Objektarm in der Regel überflüssig ist. Dies hat auch konstruktive Vorteile für eine Miniaturisierung der Messanordnung, da so der Objektarm frei von Bewegungsmitteln bleiben kann. Bei einer Anordnung mit der Forderung nach einem vergleichsweise großen Tiefenmessbereich können erfindungsgemäß die Kurz-Scans aber auch im Objektarm durchgeführt werden.
Jeder einzelne Kurz-Scan wird vorzugsweise so durchgeführt, dass es zu einer Änderung des optischen Gangunterschiedes Δx_O im objektabbildenden Interferometer kommt, wobei diese Änderung vorzugsweise maximal im Betrag ein Drittel der Änderung nΔY im Lang-Scan, mit Y als Verzögerungslänge des Vielstrahl-Interferometers beziehungsweise des Resonators des Frequenzkamm-Lasers beträgt, wobei n hier das bereits eingeführte ganzzahlige Vielfache mit n = 1, 2, 3... darstellt. Typischerweise beträgt die Änderung des optischen Gangunterschiedes Δx_O im objektabbildenden Interferometer bei einem Kurz-Scan eher ein Zehntel der Änderung nΔY oder sogar noch deutlich weniger. Für n = 1 bedeutet dies für die Änderung des optischen Gangunterschiedes Δx_O im objektabbildenden Interferometer eher ein Zehntel oder sogar noch weniger der Änderung ΔY des Vielstrahl-Interferometers oder des Resonators des Frequenzkamm-Lasers beim Lang-Scan.
In der Zeitdauer eines Kurz-Scans Δt_kurz_Int wird vorzugsweise mindestens ein Interferenzbild mittels gerastertem Detektor mit der Detektorintegrationszeit tD aufgenommen, wobei sich erfindungsgemäß in der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD die Phase im Interferenzbild um maximal 180 Altgrad im Betrag ändert, typischerweise jedoch im Betrag nur zwischen null Altgrad und 90 Altgrad. Der Fall null Altgrad Phasenänderung in der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD bedeutet, dass der FC-Lang-Scan und jeder Kurz-Scan exakt synchronisiert sind. Für den Fall n = 1 und null Altgrad Phasenänderung folgt, dass in der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD vorzugsweise der Betrag der Änderung des optischen Gangunterschiedes im objektabbildenden Interferometer zumindest näherungsweise gleich dem Betrag der Änderung 2ΔL des doppelten Spiegelabstandes 2L in einem Fabry-Perot-Interferometer oder zumindest näherungsweise gleich dem Betrag der Änderung ΔY der Verzögerungslänge Y in einem zyklischen Vielstrahl-Interferometer, oder zumindest näherungsweise gleich dem Betrag der Änderung ΔY der Verzögerungslänge Y in einem Resonator eines Frequenzkamm-Lasers gemacht wird.
Die Zeitdauer eines Kurz-Scans Δt_kurz_Int kann zumindest näherungsweise gleich der der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD gemacht sein.
Für den Fall null Altgrad Phasenänderung bleibt dann die Interferenzerscheinung in den detektierenden Pixeln des gerasterten Detektors in der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD in der Praxis zumindest näherungsweise unverändert. Für die Änderung des optischen Gangunterschiedes im objektabbildenden Interferometer oder in einem Vielstrahl-Interferometer oder im Resonator eines Frequenzkamm-Lasers können synchronisiert arbeitende Piezosteller angeordnet sein.
Vorzugsweise weisen weiterhin die Kurz-Scans zumindest näherungsweise einen Sägezahnverlauf des optischen Gangunterschiedes x_O des objektabbildenden Interferometers über der Zeit auf, wobei die Aufnahme von Interferenzbildern mittels gerasterten Detektors innerhalb der Zeitdauer Δt_kurz_Int beim Sägezahnverlauf vorzugsweise dann erfolgt, wenn die lange Flanke des Zahns durchlaufen wird. Die Zeitdauer für die lange Flanke entspricht dabei vorzugsweise zumindest näherungsweise der Integrationszeitdauer ΔtD des gerasterten Detektors. Vorzugsweise ist der Betrag der Änderung des optischen Gangunterschiedes im objektabbildenden Interferometer zwischen zwei direkt aufeinander folgenden Kurz-Scans frei wählbar. Vorzugsweise ist dabei die Größe dieser Änderung im Betrag zumindest näherungsweise gleich der Größenordnung der Schwerpunktwellenlänge im verwendeten Spektrum.
Weiterhin ist es vorzugsweise möglich, dass Kurz-Scans erfindungsgemäß zumindest näherungsweise in Form einer harmonischen Schwingung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass sich der optische Gangunterschied x_O im objektabbildenden Interferometer zumindest näherungsweise harmonisch schwingend ändert. Die Aufnahme von Interferenzbildern mittels gerasterten Detektors erfolgt innerhalb der Zeitdauer Δt_kurz_Int vorzugsweise im zumindest näherungsweise linearen Teil des Weg-Zeit-Verlaufs der Schwingung, wobei die Schwingamplitude so gewählt wird, dass die Phasenänderung der Interferenz in der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD maximal 180 Altgrad beträgt, eher sich aber vorzugsweise einem Wert unter 90 Altgrad annähert.
Dabei ist die Bildaufnahmefrequenz vorzugsweise gleich der Frequenz der harmonischen Schwingung oder einem ganzzahligen Vielfachen derselben gemacht.
Es werden pro FC-Lang-Scan vorzugsweise also mindestens drei Kurz-Scans durchgeführt und somit mindestens drei Interferenzbilder mittels gerasterten Detektors im FC-Lang-Scan aufgenommen. In der Regel werden jedoch vorzugsweise mindestens eher zehn Kurz-Scans durchgeführt und somit zehn Interferenzbilder im FC-Lang-Scan aufgenommen, aber üblicherweise vorzugsweise kaum mehr als einhundert Interferenzbilder. Ohne die synchronisierten Kurz-Scans müssten jedoch beispielsweise in der Regel mindestens einhundert bis eintausend Interferenzbilder im FC-Lang-Scan aufgenommen werden, oder es müsste mit Kurzzeitbelichtung bei der Detektion gearbeitet werden. Das ist vergleichsweise technisch aufwendig oder zeitaufwendig.
Der Vorteil dieses Verfahrens mit zusätzlichem Kurz-Scan zum FC-Lang-Scan ist, dass eine hohe Ausnutzung der verfügbaren Lichtenergie bei der Detektion gegeben ist, da die Summe der Detektorintegrationszeiten im FC-Lang-Scan durchaus 90% der Zeitdauer des Lang-Scans betragen kann. Von großem Vorteil ist weiterhin, dass dieses Verfahren bei technisch und wirtschaftlich sehr interessanten Interferometern, insbesondere Zweistrahl-Interferometern, einsetzbar ist, die prinzipbedingt einen stets von null verschiedenen Gangunterschied aufweisen. Hier sollen stellvertretend für alle Interferometer mit einem stets von null verschiedenen optischen Gangunterschied nur das Fizeau-Interferometer mit einem von der Referenzfläche entfernt angeordnetem Objekt, das asymmetrische Linnik-Interferometer mit einem Tripelreflektor im Referenzarm und das asymmetrische Mach-Zehnder-Interferometer als Beispiele genannt werden.
Weiterhin ist es aber auch möglich, dass auch mehrere Interferenzbilder mittels gerasterten Detektors pro Kurz-Scan aufgenommen werden. Der gerasterte Detektor kann als monochrome oder Farb-Matrix-CCD- oder -CMOS-Kamera ausgebildet sein.
Merkmale vorwiegend zu Ansprüchen der Anordnung
Bei einer Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Messvorgang zur relativen oder absoluten Tiefenmessung oder Abstandsmessung eines technischen oder biologischen Objekts oder von Objektelementen, zur mikroskopischen, mesoskopischen oder makroskopischen 2D- oder 3D-Erfassung von technischen oder biologischen Objekten oder zur OC-Tomografie oder zur OC-Mikroskopie oder zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik technischer oder biologischer Objekte oder zur Messung von Schichtdicken, lateral oder über der Zeit aufgelöst, oder deren lateralen oder zeitlichen Änderungen werden die folgenden Mittel eingesetzt:

– entweder ein konfokales, objektabbildendes Interferometer mit zumindest näherungsweiser Zweistrahl-Charakteristik
– oder ein chromatisch-konfokales, objektabbildendes Interferometer mit zumindest näherungsweiser Zweistrahl-Charakteristik – also mit vorbestimmter chromatischer Tiefenaufspaltung von Foki im Objektraum

Dabei weist das objektabbildende Interferometer an jedem optisch erfassten Objektelement einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied auf. Dieser soll mindestens zwei Mikrometer betragen. Der optische Gangunterschied kann im Interferometer typischerweise jedoch auch wesentlich größer sein – im Extremfall bis zum Bereich von mehreren Millimeter bis zu mehreren Meter. Auf der Basis dieses optischen Gangunterschiedes weisen die Maxima eines – zu einem optisch erfassten Objektelement jeweils zugehörigen – zumindest näherungsweise sinusoidalen Frequenz-Wavelets rechnerisch jeweils einen Frequenzabstand von Δf_Objekt = c/x_O auf – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im objektabbildenden Zweistrahl-Interferometer, zugehörig zum jeweils optisch erfassten Objektelement. Die Größe Δf_Objekt entspricht genau der Periodenlänge im Wavelet.
Weiterhin ist mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet.
Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle als eine Frequenzkamm-Lichtquelle im optischen System ausgebildet, deren Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle im Messvorgang nach und nach über der Zeit vorbestimmt verändert werden.

– Dabei ist entweder die Lichtquelle durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle oder zumindest durch eine Quasi-Kontinuums-Lichtquelle dargestellt und dieser Lichtquelle ein Vielstrahl-Interferometer mit im Messvorgang vorbestimmtem Verändern der einfachen optischen Verzögerungslänge Y des Vielstrahl-Interferometers nachgeordnet. Das Vielstrahl-Interferometer ist mit Mitteln zum Verändern der einfachen optischen Verzögerungslänge Y ausgebildet. Das Vielstrahl-Interferometer weist vorzugsweise eine hohe Finesse auf, um eine gute Diskriminierung zu erreichen.
– oder die Lichtquelle ist durch einen Frequenzkamm-Laser mit der optischen Verzögerungslänge Y dargestellt und dieser Frequenzkamm-Laser ist mit einem zumindest näherungsweise äquidistanten Frequenzkamm, jedoch über der Zeit vorbestimmt variablen Frequenzabständen Δf_Quelle der Maxima oder Spikes im Frequenzkamm, ausgebildet. Dieser Frequenzkamm-Laser ist mit Mitteln zum Verändern der einfachen optischen Verzögerungslänge Y ausgebildet. Der Frequenzkamm-Laser kann vorzugsweise auch als ein Terahertz-Laser ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass der Frequenzkamm-Laser vorzugsweise mit einem Mikro-Resonator, also einer vergleichsweise kleinen optischen Verzögerungslänge Y, mit einem Wellenlängenbereich im Infrarotbereich zwischen 1400 nm und 1700 nm und einem Frequenzabstand von einigen 100 GHz ausgebildet ist.
– Weiterhin ist es auch möglich, dass vorzugsweise mehrere Frequenzkamm-Laser parallel betrieben werden, beispielsweise je einer im roten, im grünen und im blauen Spektralbereich und zur Detektion vorzugsweise eine übliche RGB-Drei-Chip-Farbkamera eingesetzt wird. Dann sind jedem Objektelement optisch vorzugsweise drei Pixel (RGB) zugeordnet. In Abhängigkeit von der chromatischen Tiefenaufspaltung können dann Objekte gleichzeitig in unterschiedlichen Tiefen- oder Abständen optisch angetastet werden, was zu einer erheblichen Verringerung der Messzeiten durch Parallelisierung und zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Messung durch Redundanz führt.

Weiterhin kann das Vielstrahl-Interferometer vorzugsweise mittels einer zyklischen Lichtwellenleiter-Faser-Anordnung ausgebildet sein. Die Durchstimmung des Vielstrahl-Interferometers erfolgt vorzugsweise durch eine hochdynamische, rechnergesteuerte mechanische Dehnung der Fasern. Dabei sind die Fasern vorzugsweise auf einen rechner-steuerbaren Piezo-Dehnstab aufgewickelt.
Merkmale zum Nebenanspruch der Anordnung
Bei einer weiteren Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht zur relativen oder absoluten Tiefenmessung oder Abstandsmessung eines technischen oder von Objektelementen, zur mikroskopischen, mesoskopischen oder makroskopischen 2D- oder 3D-Erfassung von Objekten oder zur OC-Tomografie oder zur OC-Mikroskopie oder zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik technischer oder biologischer Objekte oder zur Schichtdickenbestimmung in einem scannenden Messvorgang werden die folgenden Mittel eingesetzt:

– entweder ein konfokales, objektabbildendes Interferometer mit zumindest näherungsweiser Zweistrahl-Charakteristik
– oder ein chromatisch-konfokales, objektabbildendes Interferometer mit zumindest näherungsweiser Zweistrahl-Charakteristik – also mit vorbestimmter chromatischer Tiefenaufspaltung von Foki im Objektraum – sowie mindestens eine Lichtquelle, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz- über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird.
– Dabei ist erfindungsgemäß einerseits die Lichtquelle durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle oder durch eine Quasi-Kontinuums-Lichtquelle dargestellt und dieser Lichtquelle ein Vielstrahl-Interferometer nachgeordnet.
– Oder die Lichtquelle ist erfindungsgemäß andererseits durch einen Frequenzkamm-Laser mit der optischen Verzögerungslänge Y dargestellt. Dieser Frequenzkamm-Laser ist vorzugsweise mit einem Mikro-Resonator ausgebildet.

Dabei weist das objektabbildende Interferometer an jedem optisch erfassten Objektelement stets einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied x_O auf. Auf der Basis dieses optischen Gangunterschiedes x_O weisen die Maxima eines – zu einem optisch erfassten Objektelement jeweils zugehörigen – zumindest näherungsweise sinusoidalen Frequenz-Wavelets rechnerisch jeweils einen Frequenzabstand von Δf_Objekt = c/x_O auf – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im objektabbildenden Interferometer, zugehörig zum jeweils optisch erfassten Objektelement. Die Größe Δf_Objekt entspricht genau der Periodenlänge im Wavelet.
Weiterhin ist mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet.
Erfindungsgemäß sind dem objektabbildenden Interferometer Mittel zum vorbestimmten Verändern des optischen Gangunterschiedes zugeordnet.
Damit können die Frequenzabstände eines zumindest näherungsweise sinusoidalen Frequenz-Wavelets mit den Frequenzabständen Δf_Objekt = c/x_O – mit c gleich der Vakuum-Licht geschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied in einem Objektelement – erfindungsgemäß vorbestimmt verändert werden. So kann der Fall, dass der optische Gangunterschiedes x_O gleich der fest eingestellten optischen Verzögerungslänge Y beim Verändern des optischen Gangunterschieds ist, erreicht werden und ein modulierter Signalverlauf detektiert werden, aus dem bei zumindest näherungsweiser Kenntnis der Brechzahl im Objektmedium Tiefen- oder Abstandsinformationen für ein Objektelement zumindest näherungsweise rechnerisch ermittelt werden. Dabei ist der Sensor so abgestimmt, dass die optische Verzögerungslänge Y so eingestellt ist, dass bei Gleichheit dieser Verzögerungslänge Y und optischem Gangunterschied x_O in einem Objektelement auch eine scharfe Abbildung dieses Objektelements auf ein Pixel des gerasterten Detektors erfolgt.
Weiterhin ist bei der Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie das Vielstrahl-Interferometer oder der Frequenzkamm-Laser vorzugsweise mit Lichtwellenleitern aufgebaut.
Weiterhin weist bei der Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie das Vielstrahl-Interferometer oder der Frequenzkamm-Laser vorzugsweise einen zyklischen Strahlverlauf auf.
Das objektabbildende Interferometer kann vorzugsweise auch als Fizeau-Interferometer, Michelson-Interferometer, Twyman-Green-Interferometer, Mirau-Interferometer, Linnik-Interferometer – auch mit Tripelreflektor im Referenzarm – oder Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet sein. Dabei ist dem Interferometer jeweils ein Abbildungssystem zur Objektbeleuchtung und zur Objektdetektion zugeordnet.
Merkmale zum Nebenanspruch zum Verfahren
Hierbei handelt sich um ein erfinderisches Verfahren zur skalierbaren Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Messvorgang zur relativen oder absoluten Tiefenmessung oder Abstandsmessung eines technischen oder biologischen Objekts oder von Objektelementen, zur mikroskopischen, mesoskopischen oder makroskopischen 2D- oder 3D-Erfassung von technischen oder biologischen Objekten oder zur OC-Tomografie oder zur OC-Mikroskopie oder zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik oder zur Messung von Schichtdicken, lateral oder über der Zeit aufgelöst, oder deren lateralen oder zeitlichen Änderungen.
Mit dem Verfahren zur skalierbaren Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Abtastvorgang können auch Daten aus einem optischen Volumenspeicher, beispielsweise in Form eines optischen Mehrlagenspeichers, ausgelesen werden, so dass das Verfahren grundsätzlich auch zur schnellen Auslesung optischer Daten aus optischen Volumenspeichern eingesetzt werden kann. Hierbei werden das Vorhandensein und die geometrische Verteilung von reflektierenden oder lichtstreuenden Elementen in einem Volumen eines Datenträgers erfasst.
Im Folgenden wird das Verfahren zur skalierbaren Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Messvorgang beschrieben.
Dabei werden im Verfahren die folgenden Mittel eingesetzt:
entweder ein objektabbildendes Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik
oder ein konfokales, objektabbildendes Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik,
mindestens eine Lichtquelle, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz- über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird.
Dabei weist das objektabbildende Interferometer an jedem optisch erfassten Objektelement einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied x_O auf. Dieser optischen Gangunterschied x_O soll mindestens den Betrag der kürzesten zur Detektion kommenden Wellenlänge der Lichtquelle aufweisen. Der optische Gangunterschied kann typischerweise jedoch auch wesentlich größer sein – im Extremfall bis zum Bereich von mehreren Millimetern oder auch bis zu mehreren Meter. Auf der Basis dieses optischen Gangunterschiedes x_O weisen die Maxima eines – zu einem optisch erfassten Objektelement jeweils zugehörigen – zumindest näherungsweise sinusoidalen Frequenz-Wavelets rechnerisch jeweils einen Frequenzabstand von Δf_Objekt = c/x_O auf – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im objektabbildenden Interferometer, zugehörig zum jeweils optisch erfassten Objektelement. Die Größe Δf_Objekt entspricht der Periodenlänge im Wavelet.
Weiterhin ist mindestens, ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor, also beispielsweise mit sehr vielen mit Pixeln, für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet. In der Regel ist dieser gerasterte Detektor also vorzugsweise mit einem einzigen spektralen Kanal in jedem Pixel ausgebildet. Das kann also eine übliche Grauwert-CCD- oder Grauwert-CMOS-Kamera sein, die nur Grauwerte, aber keine Farben in jedem Pixel registriert. Der Einsatz einer Farbkamera ist möglich, die ebenfalls noch nicht als Spektrometer angesehen wird, sondern als Kamera mit drei oder vier Spektralkanälen.
Bei dem erfindungsgemäßen interferometrischen Verfahren wird der optische Gangunterschied bei der Vermessung eines Objekts, also im Messvorgang, im objektabbildenden Interferometer zumindest näherungsweise kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich verändert verändert, wobei entweder der optische Weg im Objektarm oder der optische Weg im Referenzarm desselben zumindest näherungsweise kontinuierlich verändert wird, also ein Interferometerarm jeweils unverändert bleibt. Dabei stellt diese Gangunterschieds-Veränderung einen Interferometer-Lang-Scan dar, der in der Zeitdauer Δt_lang_Int stattfindet.
Erfindungsgemäß ist die Lichtquelle als eine Frequenzkamm-Lichtquelle im optischen System ausgebildet. Der Frequenzkamm überdeckt dabei einen gewissen Spektralbereich. Die Frequenzkamm-Abstände der Lichtquelle Δf_Quelle werden im Messvorgang über der Zeit vorbestimmt im gesamten Spektralbereich der Lichtquelle verändert. Diese Änderungen der Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle werden als Kurz-Scans bezeichnet, die in der Zeitdauer Δt_kurz_fc durchgeführt werden und zum Interferometer-Lang-Scan und zum gerasterten Detektor synchronisiert sind

– und entweder die Lichtquelle zum einen durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle oder zumindest durch eine Quasi-Kontinuums-Lichtquelle dargestellt ist und dieser Lichtquelle ist ein Vielstrahl-Interferometer mit im Messvorgang vorbestimmtem Verändern der optischen Verzögerungslänge Y des Vielstrahl-Interferometers nachgeordnet, so dass zumindest näherungsweise eine Frequenzkamm-Charakteristik bei der Detektion gebildet wird. Diese Nachordnung bezieht sich auf den gesamten Raum des optischen Systems, eingeschlossen der Raum unmittelbar vor dem gerasterten Empfänger, also im Detektionsstrahlengang. Also ist das Vielstrahl-Interferometer der Lichtquelle stets nachgeordnet und dem gerasterten Detektor vorgeordnet. Dabei beträgt bei einem Fabry-Perot-Interferometer die Verzögerungslänge Y = 2L mit L als dem Abstand der Interferometer-Endspiegel. Dies gilt genau betrachtet nur für eine Vakuum-Anordnung, beziehungsweise näherungsweise für eine Luftanordnung, wenn der Brechungsindex mit dem Wert eins approximiert wird.
– Zum anderen ist es auch möglich, die Lichtquelle durch einen Frequenzkamm-Laser darzustellen, der eine optische Verzögerungslänge Y aufweist. Dieser Frequenzkamm-Laser ist mit einem zumindest näherungsweise äquidistanten Frequenzkamm, jedoch über der Zeit vorbestimmt variablen Frequenzabständen Δf_Quelle der Maxima oder Spikes im Frequenzkamm, ausgebildet

Erfindungsgemäß wird bei der Detektion der elektromagnetischen Strahlung im Messvorgang jeweils die vorbestimmte Veränderung des Frequenzkamms hinsichtlich der Frequenzabstände der Maxima oder Spikes mittels vorbestimmten Verändern dieser optischen Verzögerungslänge Y als Kurz-Scan durchgeführt und in der Zeitdauer Δt_lang_Int des Interferometer-Lang-Scans werden mindestens drei Kurz-Scan Scan der Frequenzkamm-Lichtquelle durchgeführt. Dabei ist die Zeitdauer Δt_lang_Int also mindestens dreimal so lang wie die Zeitdauer Δt_kurz_fc. Die Frequenzabstände Δf_Quelle der Maxima oder der Spikes im Frequenzkamm betragen jeweils Δf_Quelle = c/Y mit c als Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. Diese Frequenzabstände Δf_Quelle werden beim Messvorgang mittels vorbestimmtem Verändern der optischen Verzögerungslänge Y vorbestimmt verändert.
Erfindungsgemäß werden also gleichzeitig zum Interferometer-Lang-Scan – entweder im Referenzarm oder im Objektarm des objektabbildenden Interferometers – mindestens drei zu diesem Interferometer-Lang-Scan synchronisierte FC-Kurz-Scans durchgeführt, welche in ihrer Zeitdauer Δt_kurz_fc deutlich kürzer als die Zeitdauer Δt_lang_Int des Lang-Scans gemacht werden. Diese Kurz-Scans bewirken erfindungsgemäß – zumindest für einen Teil der Zeitdauer Δt_kurz_fc – eine Verringerung der Phasenwinkelgeschwindigkeit im mittels gerasterten Detektors aufzunehmenden Interferenzbild, einschließlich einer Phasenwinkelgeschwindigkeit mit dem Betrag null, indem in der Zeitdauer Δt_kurz_fc sowohl der Betrag der Verzögerungslänge Y und als auch der Betrag des optischen Gangunterschiedes x_O sich jeweils beide vergrößern oder sich jeweils beide verkleinern.
Die sich ergebende Phasenwinkelgeschwindigkeit dϕ/dt im Bogenmaß beträgt im Kurz-Scan der Frequenzkamm-Lichtquelle somit zumindest näherungsweise jeweils: dϕ/dt = [2π·Δx_O/(Δt_kurz_fc·λ_S)] – [2π·nΔY/(Δt_kurz_fc·λ_S)]wobei der Kurz-Scan zum Lang-Scan des objektabbildenden Interferometers synchronisiert ist, mit n als einer ganzzahligen Ordnungszahl n = 1, 2, 3..., und Δx_O/Δt_kurz_fc als der Veränderung Δx_O des optischen Gangunterschiedes x_O in der Zeitdauer Δt_kurz_fc und mit ΔY/Δt_kurz_fc als Veränderung Δy der Verzögerungslänge Y in der Zeitdauer Δt_kurz_fc im Kurz-Scan, also einer Geschwindigkeit, und λ_S als der Schwerpunktwellenlänge. Die Phasenwinkelgeschwindigkeit dϕ/dt wird null, wenn die Beträge und das Vorzeichen von n·ΔY und Δx_O in der Zeitdauer Δt_kurz_Int gleich sind.
Das setzt voraus, dass für n = 1 in der Zeitdauer Δt_kurz_fc, also im FC-Kurz-Scan-Vorgang sowohl ΔY und als auch Δx_O sich jeweils beide um den gleichen Betrag vergrößern oder jeweils beide um den gleichen Betrag verkleinern. Die Phasenwinkelgeschwindigkeit dϕ/dt kann hierbei durch die Synchronisation von Interferometer-Lang-Scan und FC-Kurz-Scan auch den Betrag null erreichen, so dass sich in der Zeitdauer Δt_kurz_fc das Interferenzbild nicht verändert.
Die Frequenzabstände Δf_Objekt = c/x_O – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im objektabbildenden Interferometer, zugehörig zu einem jeweils optisch erfassten Objektelement P, entsprechen erfindungsgemäß beim vorbestimmten Verändern des Gangunterschiedes x_O im objektabbildenden Interferometer im scannenden Messvorgang dabei in der Zeitdauer Δt_lang_Int dieses Interferometer-Lang-Scans zumindest einmal und zumindest näherungsweise einem ganzzahligen Bruchteil der Frequenzabstände Δf_Quelle = c/Y, so dass Δf_Objekt = Δf_Quelle/n gilt, mit n = 1, 2, 3, 4....
Dann beträgt der optische Gangunterschied x_O im objektabbildenden Interferometer zumindest näherungsweise in der Zeitdauer Δt_kurz_fc mindestens eines einzigen Kurz-Scans ein ganzzahliges Vielfaches der Verzögerungslänge Y in der Frequenzkamm-Licht-Quelle, so dass x_O = n·Ymit n = 1, 2, 3, 4.... gilt. So kann die Verzögerungslänge Y in der Zeitdauer Δt_kurz_fc eines einzigen FC-Kurz-Scans zumindest näherungsweise aber auch gleich dem optischen Gangunterschiedes x_O sein, was dem Fall n = 1 entspricht. Somit kann in der Zeitdauer Δt_kurz_fc mindestens eines einzigen FC-Kurz-Scans zumindest näherungsweise: x_O = Yrealisiert sein. Diese Gleichheit wird durch vorzugsweise kontinuierliche Verändern des optischen Gangunterschiedes x_O des objektabbildenden Interferometers mindestens ein einziges Mal und zumindest näherungsweise im Messvorgang für jedes angetastete Objektelement oder Objekt erzeugt. Der Signalverlauf wird in der Zeitdauer Δt_lang_Int mittels spektral integral detektierenden, gerasterten Detektors mehrfach abgetastet, wobei zu einem Objektelement optisch jeweils mindestens ein Pixel dieses spektral integral detektierenden, gerasterter Detektor zugehörig ist. Auch die Pixel einer Farbkamera können hier noch als spektral integral detektierende Sensorelemente im Vergleich zu den Sensorelementen eines Spektrometers angesehen werden.
Die

Dabei kann die Tiefenposition eines jeden Objektelements beim Auftreten der Modulation des Signalverlaufs durch ein dem objektabbildenden Interferometer oder Komponenten desselben zugeordneten Wegmesssystems, beispielsweise am Objekt selbst oder beispielsweise an der mechanischen Basis des objektabbildenden Interferometers, und einer Skalierung des Wertes „Δf_Objekt_Mod” über die Messwerte der Wegmessung bestimmt werden.
Dabei ist es auch möglich, dass für unterschiedliche Objektelemente i nur Veränderungen der Messwerte der Wegmessung für die unterschiedlichen Objektelemente i ermittelt und aus gewertet werden, indem vorzugsweise Messwerte der Wegmessung beim Auftreten der Modulation in jedem, zu einem Objektelement gehörenden Pixel ermittelt und gespeichert werden und für die Berechnung der Tiefenposition eines jeden Objektelements verwendet werden. Dabei können auch Phaseninformationen ermittelt werden.
Im Messvorgang wird der gerasterte Detektor elektromagnetischer Strahlung mehrfach sukzessive ausgelesen und in jedem Pixel des gerasterten Detektors werden die Intensitäten dabei zumindest zum Teil spektral integral aufsummiert. Der Detektor kann dabei eine flächenhafte monochrome CCD- oder eine CMOS-Kamera sein. Dabei ist jedem Objektelement zumindest näherungsweise durch optische Abbildung mindestens ein Pixel zugeordnet.
Es ist aber auch möglich, dass der Detektor eine Farb-CCD- oder Farb-CMOS-Kamera ist. Dann sind jedem Objektelement drei oder vier Pixel, jedoch in unterschiedlichen Spektralbereichen zugeordnet.
Vorzugsweise wird bei zumindest näherungsweiser Kenntnis der optischen Brechzahl n' oder der Brechzahlverteilung im Objektraum der Abstand z_O eines jeweils optisch erfassten Objektelements absolut oder in Relation zu benachbarten Objektelementen aus dem vorab – beispielsweise am Modulationsmaximum bestimmten optischen Gangunterschied mit der Beziehung x_O = 2n'·z_O zumindest näherungsweise rechnerisch ermittelt.
Vorzugsweise kann aber auch allein die Bestimmung des optischen Gangunterschieds x_O oder deren Änderungen Δx_O über der Zeit das Ziel der Messung sein, beispielsweise bei der Messung dünner biologischer Objekte.
Dabei wird beim Interferometer-Lang-Scan vorzugsweise im Objektarm eine Relativbewegung zwischen dem objektabbildenden Interferometer oder mindestens Komponenten desselben und dem Objekt durchgeführt, so dass in der Zeitdauer Δt_lang_Int eine Durchfokussierung im Objektraum erfolgt, und zumindest zu einem Zeitpunkt in der Zeitdauer Δt_lang_Int das Objekt oder Elemente des Objekts zumindest näherungsweise wellenoptisch scharf abgebildet werden.
Weiterhin weisen bei dem Verfahren zur skalierbaren Interferometrie die Kurz-Scans vorzugsweise zumindest näherungsweise einen Sägezahnverlauf der optischen Verzögerungslänge Y über der Zeit auf.
Weiterhin erfolgt bei dem Verfahren zur skalierbaren Interferometrie die Aufnahme von Interferenzbildern mittels gerasterten Detektors innerhalb der Zeitdauer Δt_kurz_fc vorzugsweise dann, wenn die lange Flanke des Zahns beim Sägezahnverlauf durchlaufen wird.
Weiterhin ist bei dem Verfahren zur skalierbaren Interferometrie der Betrag der Änderung des optischen Gangunterschiedes im objektabbildenden Interferometer zwischen zwei direkt aufeinander folgenden Kurz-Scans vorzugsweise frei wählbar.
Weiterhin werden bei dem Verfahren zur skalierbaren Interferometrie Kurz-Scans vorzugsweise zumindest näherungsweise in Form einer harmonischen Schwingung durchgeführt und die Aufnahme von Interferenzbildern mittels gerasterten Detektors erfolgt innerhalb der Zeitdauer Δt_kurz_fc vorzugsweise im zumindest näherungsweise linearen Teil des Verlaufs der Verzögerungslänge Y über der Zeit der Schwingung. Dabei wird die Schwingamplitude weiterhin vorzugsweise so gewählt, dass die Phasenänderung der Interferenz in der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD maximal 180 Altgrad beträgt. Die Bildaufnahmefrequenz des gerasterten Detektors ist vorzugsweise gleich der Frequenz der harmonischen Schwingung oder einem ganzzahligen Vielfachen derselben gewählt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Die Abbildung des Objekts kann vorzugsweise telezentrisch, zentralperspektivisch oder perizentrisch durchgeführt werden, letzteres beispielsweise für die minimal-invasive Operationstechnik, die Laparoskopie, sein.
Einerseits kann vorzugsweise die Lichtquelle als Frequenzkamm-Laser mit einem Makro-Resonator mit Frequenzabständen von mehreren 100 MHz ausgebildet sein. Dieser Makro-Resonator kann im Frequenzkamm hinsichtlich seiner Frequenzabstände durchstimmbar ausgebildet sein.
Die Lichtquelle kann vorzugsweise andererseits als Frequenzkamm-Laser mit einem Mikro-Resonator mit Frequenzabständen von mehreren 100 GHz ausgebildet sein. Dieser Mikro-Resonator kann im Frequenzkamm hinsichtlich seiner Frequenzabstände durchstimmbar ausgebildet sein.
Das Objekt-Abbildungssystem muss zumindest näherungsweise beugungsbegrenzt ausgebildet sein, da sonst keine gut auswertbaren Signale entstehen. Die numerische Apertur des objektabbildenden Systems kann jedoch in sehr weiten Grenzen gemäß der Aufgabenstellung und der technischen Möglichkeiten gewählt werden. Es können für das Abbildungssystem Werte von NA = 1,3 bei Wasserimmersion und bis zu NA = 0,001 bei Luftsystemen realisiert werden.
Die Größe der chromatischen Brechkraft bei der Objektbeleuchtung und Abbildung wird vorzugsweise so gewählt, dass die entstehende Tiefenaufspaltung der Foki jeweils der Tiefe des zu vermessenden Objekts angepasst ist. So ist kein Nachfokussieren des objektabbildenden Systems notwendig.
Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der 1 bis 26 beschrieben. Dabei wird hier der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung vom Terahertz-, über das Infrarot- bis zum tiefen UV-Spektrum verwendet.
Die 1 zeigt den Sensor auf der Basis eines chromatisch-konfokalen, spektralen Zweistrahl- Interferometers mit einem der Lichtquelle nachgeordnetem Vielstrahl-Interferometer für ein relativ kleines Objektfeld in Bezug auf die Brennweite des objektabbildenden Systems. Das Licht von einer lichtstarken, fasergekoppelten Superlumineszenzdiode 1a im nahen Infrarotbereich wird mittels Fokussieroptik 2 in eine Singlemode-Faser 3 eingekoppelt, tritt aus dieser am Ausgang 4 der Singlemode-Faser 3 wieder aus, wird durch ein Objektiv 5 kollimiert und gelangt in ein Fabry-Perot-Interferometer 6, hier als Fabry-Perot-Interferometer 6 mit dem Spiegelabstand L ausgebildet, dem ein Piezo-Steller 25a zugeordnet ist. Zwischen der fasergekoppelten Superlumineszenzdiode 1a und dem Fabry-Perot-Interferometer 6 ist ein hier nicht dargestellter optischer Isolator angeordnet, was für alle nachfolgenden Ausführungsbeispiele gelten soll. Dieses Fabry-Perot-Interferometer weist zwei hochverspiegelte teildurchlässige Spiegel 7 und 8 mit dem Spiegelabstand L auf, so dass Vielstrahl-Interferenz hoher Finesse am Ausgang des Fabry-Perot-Interferometers 6 besteht. So wird aus dem eingehenden Kontinuumsspektrum, beziehungsweise Quasi-Kontinuumsspektrum der Superlumineszenzdiode 1 ein Vielstrahl-Interferenz-Spektrum mit Frequenzkamm-Charakteristik erzeugt. Die transmittierten, shmalbandigen Spektralanteile bilden dabei im Wellenzahlraum, dem k-Raum, bzw. dem Frequenzraum, dem f-Raum, einen Kamm mit äquidistanten Abständen Δf_Quelle. Die Abstände der Maxima der transmittierten, schmalbandigen Intensitäten weisen dabei wegen der Vielstrahl-Interferenz hochgenau stets die gleiche Wellenzahldifferenz Δf_Quelle auf. Das Licht, welches das Fabry-Perot-Interferometer 6 mit Spektralkamm-Charakteristik verlässt, passiert einen Strahlteiler 9 und gelangt auf ein Mikrolinsen-Array 10 mit Mikrolinsen 11. Es werden Foki gebildet. Diese werden durch das Objektiv 12 nach Unendlich abgebildet. Das Licht passiert in der Fokalebene des Objektivs 12 eine diffraktive Zonenlinse 13 mit lichtzerstreuender Wirkung, welche als Phasengitter ausgebildet ist. Hier entstehen Bündel in der nullten Ordnung, welche als Referenzbündel R_0 fungieren, und Bündel in der ersten Ordnung O_1λ, wobei diese Bündel chromatisch-tiefenaufgespaltete, diskretisierte Objektbündel darstellen, welche nach Fokussierung mittels GRIN-Linse 14 und lichtbrechender Fläche 16 unterschiedliche Tiefenlagen der Foki im Objektraum bilden, so dass über der Wellenlänge λ für jeden abgebildeten Fokus einer Mikrolinse eine diskretisierte Fokuskette 18 gebildet wird, jedoch nur an den Stellen im Spektrum, wo Transmission durch die Transmissionsmaxima des Kammspektrums des Fabry-Perot-Interferometers 6 besteht. Das Objektiv 12, die diffraktive Zonenlinse 13, die GRIN-Linse 14 und die lichtbrechende Fläche 16 bilden zusammen ein chromatisches Abbildungssystem 15. Die Referenzbündel R_0, die in der nullten Beugungsordnung nach der diffraktiven Zonen linse 13 entstanden sind, werden auf die lichtbrechende Fläche 16 scharf fokussiert, wodurch dort ein relativ kleines Feld von Foki entsteht, wobei diese lichtbrechende Fläche 16 gleichzeitig auch die Referenzfläche im Zweistrahl-Interferometer darstellt. Auf der lichtbrechenden Fläche 16 befindet sich eine Strahlteilerschicht 17 mit vergleichsweise geringem Reflexionsgrad. Die Referenzbündel R_0 werden nach Reflexion an der Strahlteilerschicht 17 in den Sensor zurückreflektiert. Die Bündel in der ersten Ordnung 0_1λ gelangen dagegen in den Objektraum, wo sich auch das Objekt 19 befindet, welches genau oder zumindest näherungsweise in jedem Objektelement von einem der Fokus der Fokuskette 18 getroffen wird. Das von der Oberfläche des Objekts 19 zurückgestreute Licht aller Bündel in der Ordnung O_1λ gelangen über die lichtbrechende Fläche 16 und über die GRIN-Linse 14 wieder bis auf die diffraktive Zonenlinse 13. Dort entstehen an der diffraktiven Struktur aus den Referenzbündel R_0 durch Lichtbeugung in der nullten Beugungsordnung nun Referenzbündel R_0_0 und aus den Objektbündeln O_1λ durch Lichtbeugung in der ersten Beugungsordnung nun die Objektbündel O_1λ_1. Sowohl die Referenzbündel R_0_0 als auch die diskretisierten Objektbündel O_1λ_1 erfahren nach dem Wiedereintritt in das Mikrolinsen-Array 10, dem Auskoppeln durch den Strahlteiler 9 und der Fokussierung durch das Objektiv 20 eine konfokale Diskriminierung an der konfokalen Blende 21. Von dort erfolgt über das Objektiv 22 die Abbildung auf die CCD-Kamera 23, so dass in jedem Pixel dieser CCD-Kamera 23 je ein Referenzbündel und bei Vorhandensein eines erfassten Objektelements auch ein konfokal diskriminiertes Objektbündel bestehen. Zwischen diesen Bündeln tritt Interferenz auf. Dabei kommt wegen der konfokalen Diskriminierung nur Licht von den Objektbündeln O_1λ_1 auf Pixel der CCD-Kamera 23, das näherungsweise scharf fokussiert war. Objektbündel, also die mit einer Wellenlänge λ zumindest näherungsweise scharf auf die Oberfläche des Objekts 19 abgebildet waren, werden hier durch die Auslegung der optischen Anordnung auch scharf auf ein Pixel dieser CCD-Kamera 23 abgebildet. Beim Verändern der optischen Verzögerungslänge im Fabry-Perot-Interferometer 6 werden die Intensitäten mittels CCD-Kamera 23 abgetastet. Die Synchronisation, Steuerung und der elektrische Antrieb für die Veränderung der Verzögerungslänge Y des Fabry-Perot-Interferometers 6 mittels Piezo-Steller 25a und die Ansteuerung der CCD-Kamera 23 erfolgen über die hier nicht dargestellten elektronischen Module des elektronischen Systems 26 zur Systemsteuerung und zur Synchronisation, das auch einen Rechner enthält, der auch die Auswertung der Kamerasignale übernimmt.
Die 2 zeigt die in einem Pixel 23a der CCD-Kamera 23 – bei Veränderung des Spiegelabstandes L im Fabry-Perot-Interferometer 6 – auftreffende Intensität von einem erfassten und auf das Pixel 23a abgebildeten Objektelements des Objekts 19. Hierbei ist das optische System dispersionsfrei und weist einen vernachlässigbaren Phasen-Offset auf. Dargestellt ist der Intensitätsverlauf in Form eines Wavelets auf dem Pixel 23a der CCD-Kamera 23, wenn der Spiegelabstand L im Fabry-Perot-Interferometer 6 mit konstanter Geschwindigkeit verändert wird und der Fall Δf_Objekt gleich Δf_Quelle beim Verändern des Spiegelabstandes L erreicht und durchfahren wird. Hierbei ist das vom Pixel 23a angetastete Objektelement 1 mm von der Referenzfläche 16 entfernt. Die Lichtquelle 1a weist hierbei ein Spektrum mit gaußförmiger Einhüllender mit dem Wellenlängenbereich von 720 nm bis 920 nm auf.
Die 3 zeigt ein rechnerisch mit Δf_Objekt = c/x_O bestimmtes Objekt-Wavelet, errechnet für einem optischen Gangunterschied von x_O = 200 μm, wobei das Spektrum der Lichtquelle ein Gaußprofil aufweist. Dieses Objekt-Wavelet könnte gegebenenfalls sogar in einem optischen System gemäß 1 mittels geeigneter Kontinuums-Lichtquelle und mittels eines hochauflösenden Spektrometers detektiert werden, wenn dann dazu das Fabry-Perot-Interferometer 6 entfernt ist und die Kontinuums-Lichtquelle ein Gauß-Profil im Spektrum aufweist.
Die 4 zeigt das Kammspektrum zu einem Zeitpunkt t1, wenn die optische Verzögerungslänge Y, hier dargestellt durch den Spiegelabstand L mit Y = 2L, noch vergleichsweise klein ist, also die Verzögerungslänge Y1 etwas kleiner als der optische Gangunterschied x_O in einem angetasteten Objektelement ist. Mit größer werdendem Spiegelabstand L verringert sich der Frequenzabstand Δf_Quelle. Das ist in 5 dargestellt.
Die 6 und 7 zeigen den Fall der Gleichheit der Frequenzabstände von Δf_Quelle und Δf_Objekt, also den Fall: Δf_Quelle = Δf_Objekt an einem Objektpunkt P des Objekts 19 in 1. Beim Auftreten dieses Falles entsteht eine Signalmodulation im Signalverlauf über dem Spiegelabstand L im Fabry-Perot-Interferometer 6.
Dieser Signalverlauf ist in 8 dargestellt. Hier ist der beim Frequenzkamm-Scan durch kontinuierliches Verändern des Spiegelabstandes L des Fabry-Perot-Interferometers 6 aufgenommene Signalverlauf in einem Pixel 23a der CCD-Kamera 23 dargestellt, der sich durch Summation aller Spektralanteile, welche die konfokale Blende 21 passieren konnten, ergibt. Hierbei beträgt der optische Gangunterschied x_O = 200 μm und der Spektralbereich mit einhüllendem Gaußprofil liegt zwischen 1300 nm und 1800 nm. Die chromatische Eingrenzung des Spektrums durch konfokale Diskriminierung ist hier also gering, da die chromatische Tiefenaufspaltung hier ebenfalls gering ist. Allein der zu Grunde liegende Spektralbereich im Wellenzahl- oder Frequenzraum bestimmt die Halbwertsbreite der Signalmodulation über dem Spiegelabstand L und damit über der optischen Verzögerungslänge Y = 2L. Der optische Gangunterschied x_O des objektabbildenden Interferometers hat dabei keinen Einfluss auf diese Halbwertsbreite. Phasen-Offset und Dispersion können den in einem Pixel aufgenommene Signalverlauf jedoch beträchtlich verändern und Asymmetrien in den Signalen und auch eine Schiefe oder Chirping erzeugen, so dass diese Signale dann mit etwas größerem numerischen Aufwand ausgewertet werden müssen. Dennoch bleibt auch dann die Signalform noch vergleichsweise einfach. Der Einfluss von Speckling bei der Antastung rauer Oberflächen, also Phasenfluktuationen von Spektralelement zu Spektralelement, kann die Signalform jedoch ebenfalls ganz erheblich verändern. Dieser Einfluss kann bei kooperativen Objektoberflächen gegebenenfalls durch vergleichsweise schnelles laterales Bewegen der Mikrolinsen zumindest etwas reduziert werden, was jedoch die laterale Auflösung etwas verringern kann.
Die 9 zeigt Signalverläufe, aufgetragen über den veränderlichen Abstand L der Endspiegel des Fabry-Perot-Interferometers 6, für mehrere Ordnungen n mit n = 1, 2, 3... für einen genutzten Spektralbereich von 720 nm bis 920 nm mit gaußförmiger Einhüllender und den optischen Gangunterschied für ein optisch erfasstes Objektelement im objektabbildenden Interferometer von x_O = 2 mm. Diese Signalverläufe können dann in jeweils in einem zum Objektelement optisch zugehörigen Pixel der CCD-Kamera 23 detektiert werden. Für den Fall n = 1 trifft jede Nadel eines Frequenzkamms genau eine Periode des Objekt-Wavelets. Für den Fall n = 2 trifft jede Nadel eines Frequenzkamms jede zweite Periode des Objekt-Wavelets, für den Fall n = 3 trifft jede Nadel eines Frequenzkamms jede dritte Periode des Objekt-Wavelets, usw. Der Fall für n = 1 ist als Signalverlauf in einem Pixel 23a auch bereits in der 2 dargestellt.
Die 10 bis 13 stellen die möglichen Signalverläufe für die Ordnungen n mit n = 1, 2, 3, 4 detailliert dar, wobei der Signalverlauf in 10 dem Signalverlauf in 2 entspricht. Die Signale werden mit größer werdender Ordnungszahl n immer geringer in der Halbwertsbreite, werden also schmaler und in der Intensität geringer. Der Abstand der modulierten Signale zueinander wird mit größer werdendem n ebenfalls immer geringer. Werden mehrere Signalverläufe mit Ordnungen n > 1 aufgenommen, kann die absolute Ordnung dieser Signalverläufe mittels vergleichsweise einfachem Gleichungssystem über die messtechnisch bestimmten Änderungen ΔL 2-3 und ΔL 3-4, dargestellt in der 9, in der Regel mittels eines lineares Gleichungssystems, bestimmt werden. Daraus ergibt sich dann der optische Gangunterschied x_O im objektabbildenden Interferometer für jedes optisch erfasste Objektelement. Aus diesem optischen Gangunterschied x_O kann dann der Abstand oder die Tiefe eines Objektselements P zumindest näherungsweise errechnet werden, wenn auch der Brechungsindex im Objektraum zumindest näherungsweise bekannt ist.
Die 14 zeigt eine optische Anordnung mit chromatischen Eigenschaften im Objektstrahlengang und achromatischen Eigenschaften für den Referenzstrahlengang. Die Anwendung ist hierbei für makroskopische Objekte 19 mit etwa einem Meter Abstand vom optischen Messsystem vorgesehen. Angeordnet ist ein durchstimmbarer Frequenzkamm-Laser 1b mit einer Verzögerungslänge von Y. Die Verzögerungslänge Y wird im Resonator des Frequenzkamm-Lasers 1b um +/–ΔY durch Treibermodule des elektronischen Systems 26 definierbar verändert. Dem Frequenzkamm-Lasers 1b ist ein hier nicht dargestellter optischer Isolator nachgeordnet. Das Licht dieses Frequenzkamm-Lasers 1b wird mittels Fokussieroptik 2 in eine Singlemode-Faser 3 eingekoppelt, tritt aus dieser am Ausgang 4 der Singlemode-Faser 3 wieder aus und wird durch ein Objektiv 5 kollimiert. Das Licht passiert einen Strahlteiler 9 und gelangt auf ein Mikrolinsen-Array 10 mit Mikrolinsen 11. Es werden Foki gebildet. Diese werden durch das Objektiv 12 nach Unendlich abgebildet. Das Licht passiert in der Fokalebene des Objektivs 12 eine diffraktive Zonenlinse 13 mit lichtzerstreuender Wirkung, welche als Phasengitter ausgebildet ist. Hier entstehen Bündel in der nullten Ordnung, welche als Referenzbündel R_0 fungieren, und Bündel in der ersten Ordnung O_1λ, wobei diese Bündel chromatisch-tiefenaufgespaltete, diskretisierte Objektbündel darstellen. Im optischen System 15 befindet sich eine lichtbrechende Fläche 16, wobei diese lichtbrechende Fläche 16 gleichzeitig auch die Referenzfläche im Zweistrahl-Interferometer darstellt. Das Objektiv 12, die diffraktive Zonenlinse 13, ein Zerstreuungsobjektiv 24 und die lichtbrechende Fläche 16 bilden zusammen ein chromatisches Abbildungssystem 15. Das Zerstreuungsobjektiv 24, das als dispersionsfreies Spiegelobjektiv ausgebildet ist, dient dazu, das Objekt 19 in einer Entfernung von etwa einem Meter optisch anzutasten. Die Referenzbündel R_0, die in der nullten Beugungsordnung nach der diffraktiven Zonenlinse 13 entstanden sind, werden auf die lichtbrechende Fläche 16 scharf fokussiert, wodurch dort ein relativ kleines Feld von Foki entsteht. Auf der lichtbrechenden Fläche 16 sich befindet eine Strahlteilerschicht 17 mit vergleichsweise geringem Reflexionsgrad. Das Zerstreuungsobjektiv 24 dient also der Vergrößerung des Abstandes der durch chromatische Aufspaltung erzeugten Fokuskette 18 und der Messung eines makroskopischen Feldes. In der 15 ist das auf dem Pixel 23a der CCD-Kamera 23 beim Y-Scan des durchstimmbaren Frequenzkamm-Lasers 1b sich ergebende Intensitäts-Wavelet dargestellt. Aus diesem Intensitäts-Wavelet kann beim Vorhandensein eines Objektelements im Tiefenmessbereich mittels geeigneter und bekannter Auswerte-Algorithmen durch einen Rechner jeweils das Maximum der Einhüllenden bestimmt werden, um die Tiefenposition eines jeden erfassbaren Objektelements des Objekts 19 zu errechnen.
Die 16 zeigt eine Anordnung, die vor Allem für die mikroskopische oder mesoskopische Applikation geeignet ist, mit einem durchstimmbaren Frequenzkamm-Laser 1b mit einer Verzögerungslänge mit einem mittleren Wert von Y, veränderbar im Resonator um +/– ΔY. Der durchstimmbare Frequenzkamm-Laser 1b wird in einem Lang-Scan durchgestimmt. Der Verlauf über der Zeit ist in 17 dargestellt. Das Licht dieses Frequenzkamm-Lasers 1b in 16 wird mittels Fokussieroptik 2 in eine Singlemode-Faser 3 eingekoppelt, tritt aus dieser am Ausgang 4 der Singlemode-Faser 3 wieder aus und wird durch ein Objektiv 5 kollimiert. Das Licht passiert einen Strahlteiler 9 und gelangt auf ein Pinhole-Array 110 mit Pinholes 111. Diese Pinholes 111 werden durch das Objektiv 12 nach Unendlich abgebildet. Das Licht passiert in der Fokalebene des Objektivs 12 eine diffraktive Zonenlinse 13 mit lichtzerstreuender Wirkung, welche als Phasengitter ausgebildet ist. Hier entstehen Bündel in der nullten Ordnung, welche als Referenzbündel R_0 fungieren, und Bündel in der ersten Ordnung O_1λ, wobei diese Bündel chromatisch-tiefenaufgespaltete, diskretisierte Objektbündel darstellen. Das Objektiv 12, die diffraktive Zonenlinse 13 und das Objektiv 14a zur Fokussierung bilden zusammen ein chromatisches Abbildungssystem 15. Die Referenzbündel R_0, die in der nullten Beugungsordnung nach der diffraktiven Zonenlinse 13 entstanden sind, werden auf die lichtbrechende Fläche 16a auf der Planparallelplatte 116 mittels Objektiv 14a scharf fokussiert, wodurch dort ein relativ kleines Feld von Foki entsteht. Dabei stellt diese lichtbrechende Fläche 16 gleichzeitig auch die Referenzfläche im Zweistrahl-Interferometer, hier ein Fizeau-Interferometer, dar. Auf der lichtbrechenden Fläche 16a der Planparallelplatte 116 sich befindet eine Strahlteilerschicht 17 mit vergleichsweise geringem Reflexionsgrad. Die Referenzbündel R_0 werden nach Reflexion an der Strahlteilerschicht 17 in den Sensor zurückreflektiert. Die Bündel in der ersten Ordnung O_1λ dagegen gelangen in den Objektraum, wo sich auch das feststehende Objekt 19 befindet, welches genau oder zumindest näherungsweise in jedem Objektelement von einem der Fokus der Fokuskette 18 getroffen wird. Das von der Oberfläche des Objekts 19 zurückgestreute Licht aller Bündel in der Ordnung O_1λ passiert die Planparallelplatte 116 und gelangt über das Objektiv 14a wieder bis auf die diffraktive Zonenlinse 13. Dort entstehen an der diffraktiven Struktur aus den Referenzbündel R_0 durch Lichtbeugung in der nullten Beugungsordnung nun Referenzbündel R_0_0 und aus den Objektbündeln O_1λ durch Lichtbeugung in der ersten Beugungsordnung nun die Objektbündel O_1λ_1. Sowohl die nichtdargestellten Referenzbündel R_0_0 als auch die diskretisierten Objektbündel O_1λ_1 erfahren am Pinhole-Array 110 mit Pinholes 111 eine konfokale Diskriminierung. Vom Pinhole-Array 110 erfolgt über die Objektive 20, 22 und die Blende 21 zur Vermeidung von Reflexen eine Abbildung auf eine CCD-Kamera 23, so dass in jedem Pixel dieser CCD-Kamera 23 je ein Referenzbündel und bei Vorhandensein eines erfassten Objektelementen auch ein konfokal diskriminiertes Objektbündel auftreffen, so das zwischen diesen Bündeln Interferenz auftritt. Dabei kommt wegen der konfokalen Diskriminierung nur Licht von den Objektbündeln O_1λ_1 auf die Pixel der CCD-Kamera 23, das näherungsweise scharf fokussiert war. Objektbündel, also, die mit einer Wellenlänge λ zumindest näherungsweise scharf auf die Oberfläche des Objekts 19 abgebildet waren, werden hier durch die Auslegung der optischen Anordnung auch scharf auf ein Pixel dieser CCD-Kamera 23 abgebildet. Die Planparallelplatte 116 führt im Messvorgang mittels Piezosteller 25a mehrere axiale Kurz-Scans in einer Sägezahnform durch, die in der Zeitdauer des Kurz-Scans Δt_kurz_Int zum Lang-Scan des Frequenzkamm-Lasers 1b und zur Auslesung der CCD-Kamera 23 synchronisiert sind, so dass sich in der Zeitdauer des Kurz-Scans Δt_kurz_Int sowohl die Verzögerungslänge Y des Frequenzkamm-Lasers 1b als auch der optische Gangunterschied x_O im Fizeau-Interferometer jeweils um den gleichen Betrag vergrößern. Der zeitliche Zusammenhang ist in der 18 dargestellt. Die Synchronisation, Steuerung und elektrischer Antrieb von Frequenzkamm-Laser 1b, Piezo-Steller 25a und CCD-Kamera 23 erfolgen über die hier nicht dargestellten elektronischen Module des elektronischen Systems 26 zur Systemsteuerung, das auch einen Rechner enthält, der auch die Auswertung der Kamerasignale übernimmt. Der Betrag der Vergrößerung entspricht hier der Schwerpunktwellenlänge λ_S. Die Änderung des Phasenwinkels in der Zeitdauer des Kurz-Scans Δt_kurz_Int ist somit zumindest näherungsweise null und in dieser Zeitdauer Δt_kurz_Int wird ein Bild mittels CCD-Kamera 23 aufgenommen. Nach der schnellen Rückstellung der Planparallelplatte 116 mittels Piezosteller erfolgt erneut ein zum Lang-Scan synchronisierter Kurz-Scan und eine erneute Bildsaufnahme, wobei die Interferenzphase in jedem Pixel der CCD-Kamera 23 beim nachfolgenden Scan zumindest näherungsweise um 756 Altgrad in Bezug zum vorherigen Kurz-Scan verändert ist, da sich zwischen den beiden aufeinander folgenden Kurz-Scan der optische Gangunterschied um 2,1 Schwerpunktwellenlängen λ_S geändert hat. Durch diese Abtastung des hier nicht dargestellten vergleichsweise hochfrequenten Interferenz-Wavelets entsteht in jedem Pixel der CCD-Kamera 23, beispielsweise im Pixel 23a, über der Zeit Δt_lang_fc ein im Vergleich zum Interferenz-Wavelet deutlich niederfrequenteres Wavelet, dargestellt in 19, welches deshalb mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Bildern der CCD-Kamera 23 abgetastet werden kann. Die in den 16 bis 19 dargestellte Synchronisation von Kurz- und Lang-Scan macht auch den Einsatz von kostengünstigen Kameras mit Videofrequenz im Hinblick auf die erreichbaren Messzeiten noch technisch sinnvoll. Diese Kameras ermöglichen mit der beschriebenen Messanordnung ein vergleichsweise schnelles und vollständiges Messen auch von Objekten mit einer vergleichsweise großen Tiefenausdehnung, wobei sich vor Allem wegen der vergleichsweise langen Integrationszeiten der Kameras mit Videofrequenz in der Regel auch ein vergleichsweise hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreichen lässt.
Die 20 stellt insbesondere einen Ansatz für die Vermessung mikroskopisch kleiner Objekte 19 mit vergleichsweise großer numerischer Apertur und damit kleiner wellenoptischer Schärfentiefe dar. Deshalb ist es bei einer Tiefenausdehnung des Objekts 19, größer als die wellenoptische Schärfentiefe, notwendig, einen Tiefen-Scan durchzuführen, um alle Objekt-Details im seriellen Messvorgang einmal scharf abbilden zu können. Als Lichtquelle dient ein durchstimmbarer Frequenzkamm-Laser 1b mit einer Verzögerungslänge mit einem mittleren Wert von Y = 95 mm. Der durchstimmbare Frequenzkamm-Laser 1b wird harmonisch oszillierend mit einer Frequenz von 100 Hertz durchgestimmt, wobei die Amplitude der Schwingung hierbei ΔY = 0,261 um beträgt. Der zeitliche Zusammenhang ist in 21 dargestellt. Diese Schwingung stellt einen Kurz-Scan dar. Das Licht des Frequenzkamm-Lasers 1b wird mittels Fokussieroptik 2 in eine Singlemode-Faser 3 eingekoppelt, tritt aus dieser am Ausgang 4 der Singlemode-Faser 3 wieder aus, wird mittels Objektiv 124 auf eine rotierende Mattscheibe 105 gelenkt, wo ein Feld auf dieser ausgeleuchtet wird. Dieses leuchtende Feld wird durch ein Objektiv 5 in die Pupille des Spiegelobjektivs 127 abgebildet. Das Licht gelangt auf einen Strahlteiler 109, der eine Strahlteilerschicht 109a und eine Strahlteilerschicht 109b aufweist und zu einem objektabbildenden Zweistrahl-Interferometer gehört. Das an der Strahlteilerschicht 109a reflektierte Licht gelangt über den Tripelreflektor 126 in den Strahlteiler 109 zurück und passiert nun die Strahlteilerschicht 109b und gelangt über das Objektiv 22 auf die CCD-Kamera 23. Das an der Strahlteilerschicht 109a hindurchgehende Licht passiert anschließend das Spiegelobjektiv 127 und gelangt auf das Objekt 19, welches im Messvorgang in der Tiefe bewegt wird. Der zeitliche Zusammenhang ist in 22 sichtbar gemacht. So wird im Lang-Scan jedes Objektelement des Objekts 19 einmal wellenoptisch scharf auf die CCD-Kamera 23 abgebildet, indem das rückgestreute Licht nach dem Passieren des Spiegelobjektivs 127 an der Strahlteilerschicht 109b reflektiert und über das Objektiv 22 auf die CCD-Kamera 23 abgebildet wird. Hier kommt es zur Interferenz mit dem Licht, das sich im Referenzstrahlengang über den Tripelreflektor 126 ausgebreitet und den Strahlteiler 109 mit der Strahlteilerschicht 109b in Transmission passiert hat. Die CCD-Kamera 23 nimmt im Messvorgang einen Bilderstapel auf, wobei die Bildaufnahmefrequenz hierbei 400 Hz beträgt. Die Schwerpunktwellenlänge beträgt λ_S = 820 nm. Die Halbwertsbreite des Spektrums des verwendeten Lichts des Frequenzkamm-Lasers 1b beträgt etwa 200 nm.
Das objektabbildende Zweistrahl-Interferometer in 20 weist im Mittel einen optischen Gangunterschied x_O von 95 mm auf, was der mittleren optischen Verzögerungslänge Y des Frequenzkamm-Lasers 1b entspricht. Das Objekt 19 wird im Messvorgang mit einer Geschwindigkeit von 172,2 μm/s in die Tiefe bewegt. Die Integrationszeitdauer der CCD-Kamera 23 beträgt hier ΔtD = 2,5 ms. Durch exakte Synchronisation des Taktes der CCD-Kamera 23 zur Oszillation des Frequenzkamm-Lasers 1b und zum Tiefen-Scan des Objekts 19 durch das elektronische System 26 zur Systemsteuerung werden jeweils Bilder aufgenommen und in einen Bilderstapel abgelegt. So ändert sich der Phasenwinkel ϕ im Interferenzbild auf der CCD-Kamera 23 in jedem vierten Kamerabild praktisch nicht, nämlich, wenn die Verzögerungslänge Y und der optische Gangunterschied x_O sich jeweils um den zumindest näherungsweise gleichen Betrag vergrößern und das Interferenzbild steht in jedem vierten Kamerabild nahezu still. Ein Bild wird hierbei immer dann gespeichert, wenn sich der Schwingvorgang des Frequenzkamm-Lasers 1b im Anstiegsbereich Ai-2, Ai-1, Ai... befindet. Von einem ersten Bild zu einem fünften Bild, also vom Anstiegsbereich Ai-2 zum Anstiegsbereich Ai-1, beträgt die Änderung des optischen Gangunterschiedes im objektabbildenden Interferometer näherungsweise Δx_O = 2,1·λ_S = 2,1820 nm = 1722 nm. Damit beträgt die Änderung des Phasenwinkels in den Pixeln jeweils näherungsweise 756 Altgrad von einem ersten Bild zu einem fünften Bild – jeweils in der Phase eines Anstiegsbereichs Ai-2, Ai-2, Ai. Dies führt zu einer Unterabtastung der Interferenzsignale und liefert über dem Tiefen-Scan des Objekts 19 in den Pixeln der CCD-Kamera 23 für jeden erfassten Objektpunkt jeweils ein vergleichsweise niederfrequentes Wavelet. In der 23 ist der Spannungsverlauf U dargestellt der sich im elektronischen System 26 zur Systemsteuerung am Ausgang des Kameraverstärkers, beispielsweise für das Pixel 23a, über einem Lang-Scan ergibt. Die Wavelet-Auswertung erfolgt hier beispielsweise jeweils über eine Schwerpunktbestimmung oder eine Bestimmung des Modulationsmaximums und führt damit zur Tiefenposition z eines jeden erfassten Objektelements des Objekts 19.
Der Tripelreflektor 126 als auch das Objektiv 127 sind jeweils als Spiegelsysteme ausgebildet. Die Dispersion in der Strahlteilerplatte 109, die als hochgenaue Planparallelplatte ausgebildet ist, ist in den beiden Armen des objektabbildenden Interferometers gleich, so dass eine nahezu vollständige Kompensation der Dispersion im objektabbildenden Interferometer gegeben ist und vorteilhafterweise kein störender Chirp-Effekt im Interferenzsignal auftritt. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass im objektabbildenden Interferometer keine mechanischen Schwingungen aufgrund von Kurz-Scans auftreten können, da diese im räumlich entfernt vom objektabbildenden Interferometer angeordneten Frequenzkamm-Laser 1b stattfinden.
Die 24 stellt die Vergrößerung des optischen Gangunterschieds x_O über der Zeit eines Interferometer-Lang-Scans dar, wenn – wie in 22 dargestellt – das Objekt 19 in 20 in einem Lang-Scan mit konstanter Geschwindigkeit in die Tiefe bewegt wird. In 23 ist durch die gepunktete Linie auch die Differenz des optischen Gangunterschieds x_O zur Verzögerungslänge Y des Frequenzkamm-Lasers 1b über der Zeit erkennbar. In den einen Interferometer-Lang-Scan sind mehrere Kurz-Scans zeitlich eingebettet. In der Zeit eines jeden Kurz-Scans Δt_kurz_fc ist der Anstieg dieser Differenz, also x_O – Y, deutlich verringert und in diesen Zeiten von Kurz-Scans wird die CCD-Kamera 23 jeweils mit der Integrationszeitdauer ΔtD ausgelesen. Von Kurz-Scan zu Kurz-Scan beträgt hier die Zunahme des optischen Gangunterschieds 2,1 Schwerpunktwellenlängen λ_S. Entsprechend der aktuellen Differenz des optischen Gangunterschieds x_O zur Verzögerungslänge Y ist auch der Phasenwinkel ϕ_Interferenz moduliert. Daraus ergibt sich eine variable Veränderung der Phasenwinkelgeschwindigkeit dϕ/dt über der Zeit. In den Minima der Phasenwinkelgeschwindigkeit, wo die Intensität im Interferenzbild sich nur vergleichsweise langsam oder gar nicht ändert, erfolgt jeweils die Detektion der Intensität zu den Zeitpunkten t_i-2, t_i-1, t_i jeweils mit der Integrationszeitdauer ΔtD mittels CCD-Kamera 23. So liegen diese so gewonnenen Spannungswerte U_t i-2, U_t i-1 und U_t i am Ausgang des Kameraverstärkers der CCD-Kamera 23 auf einem langperiodischen Wavelet. Dies zeigt 25 für einen Teil des Signals U, welches mittels Pixel 23a gewonnen wird. Das sich im Interferometer-Lang-Scan über der Zeit t ergebende vollständige Spannungssignal U, detektiert vom Pixel 23a, zeigt 26.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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- Choi, S.; Shioda, T.; Tanaka, Y.; Kurokawa, T.: Frequency-Comb-Based Interference Microscope with a Line-Type Image Sensor, Japanese Journal of Applied Physics Vol. 46, No. 10A, 2007, S. 6842–6847 [0007]

Claims

Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Messvorgang zur relativen oder absoluten Tiefenmessung oder Abstandsmessung eines technischen oder biologischen Objekts oder von Objektelementen, zur mikroskopischen, mesoskopischen oder makroskopischen 2D- oder 3D-Erfassung von technischen oder biologischen Objekten oder zur OC-Tomografie oder zur OC-Mikroskopie oder zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik technischer oder biologischer Objekte oder zur Messung von Schichtdicken, lateral oder über der Zeit aufgelöst oder deren lateralen oder zeitlichen Änderungen, mit – entweder einem konfokalen, objektabbildenden Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik – oder einem chromatisch-konfokalen objektabbildenden Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik – also mit vorbestimmter chromatischer Tiefenaufspaltung von Foki im Objektraum, mit mindestens einer Lichtquelle, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz-, über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird, und das objektabbildende Interferometer an jedem optisch erfassten Objektelement einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied x aufweist, der mindestens zwei Mikrometer beträgt, und die Maxima eines – zu einem optisch erfassten Objektelement jeweils zugehörigen – zumindest näherungsweise sinusoidalen Frequenz-Wavelets rechnerisch jeweils einen Frequenzabstand von Δf_Objekt = c/x_O aufweisen – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im objektabbildenden Zweistrahl-Interferometer, zugehörig zu einem Objektelement, und mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor (23) für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Lichtquelle als eine Frequenzkamm-Lichtquelle im optischen System ausgebildet ist und deren Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle im Messvorgang nach und nach über der Zeit vorbestimmt verändert werden, – indem entweder die Lichtquelle durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle dargestellt ist und dieser Lichtquelle ein Vielstrahl-Interferometer (6) mit im Messvorgang vorbestimmtem Verändern der einfachen optischen Verzögerungslänge Y des Vielstrahl-Interferometers (6) nachgeordnet oder dem gerasterten Detektor (23) vorgeordnet ist, so dass dadurch zumindest näherungsweise eine Frequenzkamm-Charakteristik bei der Detektion gebildet wird, und bei der mehrfachen sukzessiven Detektion der elektromagnetischen Strahlung im Messvorgang jeweils eine vorbestimmte Veränderung der Frequenzabstände hinsichtlich des Frequenzabstandes der Maxima oder Spikes mittels vorbestimmten Verändern dieser optischen Verzögerungslänge Y durchgeführt wird, wobei die Frequenzabstände Δf_Quelle der Maxima oder Spikes im Frequenzkamm jeweils Δf_Quelle = c/Y betragen, mit c als Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, und diese Frequenzabstände Δf_Quelle beim Messvorgang mittels vorbestimmtem Verändern der optischen Verzögerungslänge Y vorbestimmt verändert werden, – oder indem die Lichtquelle durch einen Frequenzkamm-Laser (1b) mit der optischen Verzögerungslänge Y dargestellt ist und dieser Frequenzkamm-Laser (1b) mit einem zumindest näherungsweise äquidistanten Frequenzkamm, jedoch über der Zeit vorbestimmt variablen Frequenzabständen Δf_Quelle der Maxima oder Spikes im Frequenzkamm, ausgebildet ist, und die Frequenzabstände Δf_Quelle beim vorbestimmten Verändern des Frequenzkamms im scannenden Messvorgang dabei zumindest einmal genau einem ganzzahligen Vielfachen n, mit n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, ..., des rechnerischen Frequenzabstandes Δf_Objekt = c/x_O entsprechen – mit x_O gleich dem optischen Gangunterschied im (objektabbildenden) Zweistrahl-Interferometer, zugehörig zum jeweils optisch erfassten Objektelement- und beim vorbestimmten Verändern der Frequenzabstände Δf_Quelle der gerasterte Detektor (23) elektromagnetischer Strahlung mehrfach sukzessive ausgelesen wird und in jedem Pixel des gerasterten Detektors (23) die Intensitäten zumindest zum Teil spektral integral aufsummiert werden, so dass beim vorbestimmten Verändern der Frequenzabstände Δf_Quelle für jedes erfassbare Objektelement der Fall Δf_Quelle = n·Δf_Objekt, mit n = 1, 2, 3...,oder nur anders dargestellt x_O = n·Y, mit n = 1, 2, 3..., mindestens einmal im Messvorgang erzeugt wird, wodurch eine kurzperiodische Modulation im Signalverlauf auftritt, und dieser Signalverlauf über der Zeit mittels gerastertem Detektor (23) mehrfach abgetastet wird, wobei zu einem Objektelement optisch jeweils mindestens ein Pixel des Detektors (23) zugehörig ist und die – zur maximalen Modulation des Signalverlaufs, – oder zum Signalmaximum des Signalverlaufs – oder die zum Signalschwerpunkt des Signalverlaufs zugehörige Größe des Frequenzabstände als Wert „Δf_Quelle Mod” ermittelt und gespeichert und ausgewertet wird, und – entweder über die bekannte vorbestimmte Veränderung der optischen Verzögerungslänge Y des Vielstrahl-Interferometers (6), die der Veränderung der Frequenzabstände Δf_Quelle zu Grunde liegt, beim Auftreten der kurzperiodischen Signalmodulation im Signalverlauf der optische Gangunterschied x_O des zugehörigen Objektelements oder zumindest die Differenz des optischen Gangunterschiedes in Bezug zu Nachbar-Objektelementen aus dem Wert „Δf_Quelle Mod” ermittelt wird – oder der optische Gangunterschied x_O auch absolut in Bezug zur Position „Y = 0” im Vielstrahl-Interferometer aus dem Wert „Δf_Quelle_Mod” bestimmt wird, wenn die optische Verzögerungslänge Y desselben absolut durch Messung von Y bekannt gemacht ist, – oder bei einem Frequenzkamm-Lasers (1b) mit vorbestimmt veränderlichem Frequenzkamm und genauer Kenntnis der jeweiligen Frequenzabstände Δf_Quelle beim Auftreten der kurzperiodischen Signalmodulation im Signalverlauf die zugehörigen Frequenzabstände „Δf_Quelle_Mod” ermittelt werden und der optische Gangunterschied x_O des zugehörigen Objektelements mit x_O = c/”Af_Quelle Mod” rechnerisch bestimmt wird, – oder aus der bekannten vorbestimmten Veränderung der Frequenzabstände Δf_Quelle zumindest eine Information über den optischen Gangunterschied x_O des zugehörigen Objektelements in Bezug auf benachbarte Objektelemente, also die Differenz des optischen Gangunterschiedes zu mindestens einem benachbarten Objektelement aus dem Wert „Δf_Quelle_Mod” errechnet wird, indem die beim Auftreten der kurzperiodischen Signalmodulation im Signalverlauf die zu jedem Objektelement i zugehörigen Frequenzabstände „Δf_Quelle_Mod_i” ermittelt werden.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass bei zumindest näherungsweiser Kenntnis der optischen Brechzahl n' oder der Brechzahlverteilung im Objektraum der Abstand z eines jeweils optisch erfassten Objektelements absolut oder in Relation zu benachbarten Objektelementen aus dem vorab bestimmten optischen Gangunterschied mit der Beziehung x_O = 2n'·z zumindest näherungsweise rechnerisch ermittelt wird.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Signalmodulation im Signalverlauf zur Bestimmung der absoluten oder relativen Objekttiefe ausgewertet wird, wenn beim vorbestimmten Verändern des Frequenzkamms der Fall Δf_Quelle_Mod = Δf_Objekt auftritt, was dem Fall x_O = Y_Modentspricht.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass gleichzeitig zum Lang-Scan, also dem vorbestimmten Scan der Frequenzabstände der Lichtquelle – entweder im Referenzarm oder im Objektarm des objektabbildenden Interferometers – mindestens drei zu diesem Lang-Scan synchronisierte Kurz-Scans durchgeführt werden, welche in ihrer Zeitdauer Δt_kurz_Int deutlich kürzer als die Zeitdauer Δt_lang_fc des Lang-Scans gemacht werden und diese Kurz-Scans – zumindest für einen Teil der Zeitdauer Δt_kurz_Int – eine Verringerung der Phasenwinkelgeschwindigkeit im mittels gerasterten Detektors (23) aufzunehmenden Interferenzbild, einschließlich einer Phasenwinkelgeschwindigkeit mit dem Betrag null, bewirken, indem in der Zeitdauer Δt_kurz_Int sowohl der Betrag der Verzögerungslänge Y und als auch der Betrag des optischen Gangunterschiedes x_O sich jeweils beide vergrößern oder sich jeweils beide verkleinern.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass jeder einzelne Kurz-Scan so durchgeführt wird, dass es zu einer Änderung des optischen Gangunterschiedes Δx_O im objektabbildenden Interferometer kommt, wobei diese Änderung maximal im Betrag ein Drittel der Änderung nΔY im Lang-Scan, mit Y als Verzögerungslänge des Vielstrahl-Interferometers beziehungsweise des Resonators des Frequenzkamm-Lasers beträgt, wobei n hier das ganzzahlige Vielfache mit n = 1, 2, 3... darstellt.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass in der Zeitdauer eines Kurz-Scans Δt_kurz_Int mindestens ein Interferenzbild mittels gerastertem Detektor (23) mit der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD aufgenommen wird, wobei sich in der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD die Phase im Interferenzbild um maximal 180 Altgrad im Betrag ändert.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, dass in der Detektorintegrationszeitdauer ΔtD der Betrag der Änderung des optischen Gangunterschiedes im objektabbildenden Interferometer zumindest näherungsweise gleich dem Betrag der Änderung 2ΔL des doppelten Spiegelabstandes 2L in einem Fabry-Perot-Interferometer (6) oder zumindest näherungsweise gleich dem Betrag der Änderung ΔY der Verzögerungslänge Y in einem zyklischen Vielstrahl-Interferometer, oder zumindest näherungsweise gleich dem Betrag der Änderung ΔY der Verzögerungslänge Y in einem Resonator eines Frequenzkamm-Lasers (1b) gemacht wird.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Kurz-Scans zumindest näherungsweise einen Sägezahnverlauf des optischen Gangunterschiedes x_O des objektabbildenden Interferometers über der Zeit aufweisen.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Aufnahme von Interferenzbildern mittels gerasterten Detektors (23) innerhalb der Zeitdauer Δt_kurz_Int dann erfolgt, wenn die lange Flanke des Zahns des Sägezahnverlaufs durchlaufen wird.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass der Betrag der Änderung des optischen Gangunterschiedes im objektabbildenden Interferometer zwischen zwei direkt aufeinander folgenden Kurz-Scans frei wählbar ist.
Verfahren zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass Kurz-Scans zumindest näherungsweise in Form einer harmonischen Schwingung durchgeführt werden und die Aufnahme von Interferenzbildern mittels gerasterten Detektors (23) innerhalb der Zeitdauer Δt_kurz_Int im zumindest näherungsweise linearen Teil des Weg-Zeit-Verlaufs der Schwingung erfolgt.
Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Messvorgang zur relativen oder absoluten Tiefenmessung oder Abstandsmessung eines technischen oder biologischen Objekts oder von Objektelementen, zur mikroskopischen, mesoskopischen oder makroskopischen 2D- oder 3D-Erfassung von technischen oder biologischen Objekten oder zur OC-Tomografie oder zur OC-Mikroskopie oder zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik technischer oder biologischer Objekte oder zur Messung von Schichtdicken, lateral oder über der Zeit aufgelöst, oder deren lateralen oder zeitlichen Änderungen, mit – entweder einem konfokalen, objektabbildenden Interferometer mit zumindest näherungsweiser Zweistrahl-Charakteristik – oder einem chromatisch-konfokalen objektabbildenden Interferometer mit zumindest näherungsweiser Zweistrahl-Charakteristik – also mit vorbestimmter chromatischer Tiefenaufspaltung von Foki im Objektraum – mit mindestens einer Lichtquelle, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz-, über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird, und das objektabbildende Interferometer an jedem optisch erfassten Objektelement einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied aufweist, der mindestens zwei Mikrometer beträgt, und die Maxima eines – zu einem optisch erfassten Objektelement jeweils zugehörigen – zumindest näherungsweise sinusoidalen Frequenz-Wavelets rechnerisch jeweils einen Frequenzabstand von Δf_Objekt = c/x_O aufweisen – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im objektabbildenden Zweistrahl-Interferometer, zugehörig zum Objektelement, und mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor (23) für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Lichtquelle als eine Frequenzkamm-Lichtquelle im optischen System ausgebildet ist und – dabei entweder die Lichtquelle durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle dargestellt und dieser Lichtquelle ein Vielstrahl-Interferometer nachgeordnet ist – oder die Lichtquelle durch einen Frequenzkamm-Laser (1b) mit der optischen Verzögerungslänge Y dargestellt ist und dieser Frequenzkamm-Laser (1b) mit einem zumindest näherungsweise äquidistanten Frequenzkamm ausgebildet ist.
Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass das Vielstrahl-Interferometer (6) mit Mitteln zum Verändern der einfachen optischen Verzögerungslänge Y ausgebildet ist.
Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass der Frequenzkamm-Laser (1b) mit Mitteln zum Verändern der einfachen optischen Verzögerungslänge Y ausgebildet ist.
Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach einem der Ansprüche 13 oder 14, gekennzeichnet dadurch, dass das Vielstrahl-Interferometer (6) oder der Frequenzkamm-Laser (1b) mit Lichtwellenleitern aufgebaut sind.
Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 13 oder 14 und 15, gekennzeichnet dadurch, dass das Vielstrahl-Interferometer (6) oder der Frequenzkamm-Laser (1b) einen zyklischen Strahlverlauf aufweisen.
Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht zur relativen oder absoluten Tiefenmessung oder Abstandsmessung eines technischen oder biologischen Objekts oder von Objektelementen, zur mikro-, meso- oder makroskopischen 2D- oder 3D-Erfassung von Objekten oder zur OC-Tomografie oder zur OC-Mikroskopie oder zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik technischer oder biologischer Objekte oder zur Schichtdickenbestimmung in einem scannenden Messvorgang mit – entweder einem konfokalen, objektabbildenden Interferometer mit zumindest näherungsweiser Zweistrahl-Charakteristik – oder einem chromatisch-konfokalen objektabbildenden Interferometer mit zumindest näherungsweiser Zweistrahl-Charakteristik – also mit vorbestimmter chromatischer Tiefenaufspaltung von Foki im Objektraum, mit mindestens einer Lichtquelle, wobei hier Licht im Sinne elektromagnetischer Strahlung von Terahertz-, über IR-, VIS- bis UV-Strahlung verstanden wird, und das objektabbildende Interferometer an jedem optisch erfassten Objektelement einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied aufweist und die Maxima eines – zu einem optisch erfassten Objektelement jeweils zugehörigen – zumindest näherungsweise sinusoidalen Frequenz-Wavelets rechnerisch jeweils einen Frequenzabstand von Δf_Objekt = c/x_O aufweisen – mit c gleich der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied im objektabbildenden Interferometer, zugehörig zum Objektelement, und mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor (23) für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, – dass einerseits die Lichtquelle durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle oder durch eine Quasi-Kontinuums-Lichtquelle dargestellt und dieser Lichtquelle ein Vielstrahl-Interferometer nachgeordnet. – oder die Lichtquelle ist andererseits durch einen Frequenzkamm-Laser (1b) mit der optischen Verzögerungslänge Y dargestellt ist und dem objektabbildenden Interferometer Mittel zum vorbestimmten Verändern des optischen Gangunterschiedes zugeordnet sind.
Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet dadurch, dass der Frequenzkamm-Laser (1b) vorzugsweise mit einem Mikro-Resonator ausgebildet ist.
Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet dadurch, dass das objektabbildende Interferometer als Fizeau-Interferometer, Michelson-, Twyman-Green-Interferometer, Mirau-Interferometer, Linnik-Interferometer – auch mit Tripelreflektor im Referenzarm – oder Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist.
Verfahren zur skalierbaren Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Messvorgang zur relativen oder absoluten Tiefenmessung oder Abstandsmessung eines technischen oder biologischen Objekts oder von Objektelementen, zur mikroskopischen, mesoskopischen oder makroskopischen 2D- oder 3D-Erfassung von technischen oder biologischen Objekten oder zur OC-Tomografie oder zur OC-Mikroskopie oder zur endoskopischen 2D- oder 3D-Messtechnik oder zur Messung von Schichtdicken, lateral oder über der Zeit aufgelöst, oder deren lateralen oder zeitlichen Änderungen, mit den folgenden Mitteln: entweder ein objektabbildendes Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik oder ein konfokales, objektabbildendes Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik – also mit vorbestimmter chromatischer Tiefenaufspaltung von Foki im Objektraum, mindestens eine Lichtquelle, und das objektabbildende Interferometer an jedem optisch erfassten Objektelement einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied x_O aufweist, der mindestens den Betrag der kürzesten zur Detektion kommenden Wellenlänge der Lichtquelle aufweist und mindestens ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor (23) für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet ist, gekennzeichnet dadurch, dass – der optische Gangunterschied x_O bei der Vermessung eines Objekts (19) im objektabbildenden Interferometer zumindest näherungsweise kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich verändert wird, wobei diese Gangunterschieds-Veränderung einen Interferometer-Lang-Scan darstellt, der in der Zeitdauer Δt_lang_Int stattfindet, und die Lichtquelle als eine Frequenzkamm-Lichtquelle im optischen System ausgebildet ist und die Frequenzkamm-Abstände der Lichtquelle Δf_Quelle im Messvorgang über der Zeit vorbestimmt im gesamten Spektralbereich der Lichtquelle verändert werden und diese Änderungen der Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle als Kurz-Scans in der Zeitdauer Δt_kurz_fc durchgeführt werden und zum Interferometer-Lang-Scan und zum gerasterten Detektor (23) synchronisiert sind, – und entweder die Lichtquelle zum einen durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle oder zumindest durch eine Quasi-Kontinuums-Lichtquelle dargestellt ist und dieser Lichtquelle ein Vielstrahl-Interferometer (6) mit im Messvorgang vorbestimmtem Verändern der optischen Verzögerungslänge Y des Vielstrahl-Interferometers nachgeordnet ist, so dass zumindest näherungsweise eine Frequenzkamm-Charakteristik bei der Detektion gebildet wird – oder zum anderen die Lichtquelle durch einen Frequenzkamm-Laser (1b) dargestellt ist, der eine optische Verzögerungslänge Y aufweist und dieser Frequenzkamm-Laser (1b) mit einem zumindest näherungsweise äquidistanten Frequenzkamm, jedoch über der Zeit vorbestimmt variablen Frequenzabständen Δf_Quelle der Maxima oder Spikes im Frequenzkamm, ausgebildet ist, und bei der Detektion der elektromagnetischen Strahlung im Messvorgang jeweils die vorbestimmte Veränderung des Frequenzkamms hinsichtlich der Frequenzabstände der Maxima oder Spikes mittels vorbestimmten Verändern dieser optischen Verzögerungslänge Y als Kurz-Scan durchgeführt wird und wobei in der Zeitdauer Δt_lang_Int des Interferometer-Lang-Scans mindestens drei Kurz-Scan Scans der Frequenzkamm-Lichtquelle (1b) durchgeführt werden und diese Kurz-Scans – zumindest für einen Teil der Zeitdauer Δt_kurz_fc – eine Verringerung der Phasenwinkelgeschwindigkeit im mittels gerasterten Detektors (23) aufzunehmenden Interferenzbild bewirken, indem in der Zeitdauer Δt_kurz_fc sowohl der Betrag der Verzögerungslänge Y und als auch der Betrag des optischen Gangunterschiedes x_O sich jeweils beide vergrößern oder sich jeweils beide verkleinern.
Verfahren zur skalierbaren Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht nach Anspruch 20, gekennzeichnet dadurch, dass beim Interferometer-Lang-Scan im Objektarm eine Relativbewegung zwischen dem objektabbildenden Interferometer oder mindestens Komponenten desselben und dem Objekt (19) durchgeführt wird, so dass in der Zeitdauer Δt_lang_Int eine Durchfokussierung im Objektraum erfolgt, und zumindest zu einem Zeitpunkt in der Zeitdauer Δt_lang_Int das Objekt (19) oder Elemente des Objekts (19) zumindest näherungsweise wellenoptisch scharf abgebildet werden.
Verfahren zur skalierbaren Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 20 und 21, gekennzeichnet dadurch, dass die Kurz-Scans zumindest näherungsweise einen Sägezahnverlauf der optischen Verzögerungslänge Y über der Zeit aufweisen.
Verfahren zur skalierbaren Interferometrie nach Anspruch 22, gekennzeichnet dadurch, dass die Aufnahme von Interferenzbildern mittels gerasterten Detektors (23) innerhalb der Zeitdauer Δt_kurz_fc dann erfolgt, wenn die lange Flanke des Zahns beim Sägezahnverlauf durchlaufen wird.
Verfahren zur skalierbaren Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 23, gekennzeichnet dadurch, dass der Betrag der Änderung des optischen Gangunterschiedes im objektabbildenden Interferometer zwischen zwei direkt aufeinander folgenden Kurz-Scans frei wählbar ist.
Verfahren zur skalierbaren Interferometrie nach mindestens einem der Ansprüche 20 und 21, gekennzeichnet dadurch, dass Kurz-Scans zumindest näherungsweise in Form einer harmonischen Schwingung durchgeführt werden und die Aufnahme von Interferenzbildern mittels gerasterten Detektors (23) innerhalb der Zeitdauer Δt_kurz_fc im zumindest näherungsweise linearen Teil des Verlaufs der Verzögerungslänge Y über der Zeit der Schwingung erfolgt.