WO2010040570A1 - Verfahren und vorrichtung zur interferometrie - Google Patents

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WO2010040570A1 PCT/EP2009/007327 EP2009007327W WO2010040570A1 WO 2010040570 A1 WO2010040570 A1 WO 2010040570A1 EP 2009007327 W EP2009007327 W EP 2009007327W WO 2010040570 A1 WO2010040570 A1 WO 2010040570A1
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frequency comb
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frequency
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Klaus KÖRNER
Wolfgang Osten
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Universität Stuttgart
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Definitions

  • white-light interferometry sensors based on the approaches described in [1] - [7] do not generally permit measurements on objects with distances between object and sensor in the range of one or several meters for measurements with a high volume minimization, since during measurement the optical path length in the reference arm must be made at least once equal to the optical path length in the object arm. This leads to a considerable volume of the sensor even in folded arrangements in the rule.
  • 7391 520 B2 [9] shows an OCT batch with a detector with a multiplicity of spectral channels, ie a spectrometer.
  • a spectrometer due to the particular necessity of using a spectrometer in the optical measuring system, an object can not be recorded in a planar or pictorial manner at one time, but as a rule only at points; So the areal detection of an object must be done laterally serial. This is certainly acceptable for the applications described in [8] and [9].
  • these approaches still do not allow any application for the measurement of macroscopic objects, but are limited for economic reasons to the measurement of comparatively small objects. Also, the measurement of objects of great depth and distance with such approaches is rather not possible.
  • the patent application DE 3623265 A1 in FIG. 7 shows a Fabry-Perot interferometer for measuring the position of a mirror in conjunction with a second interferometer for generating a spatially spread interferogram.
  • Object of the present invention is to provide a beauskalig customizable interferometry with high measurement and sampling accuracy and a high robustness of the measurement. This object is achieved by a method according to claim 1 and an apparatus according to claim 11. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
  • the invention thus provides a method of interferometry, which comprises: Generating an electromagnetic measurement signal (hereinafter also referred to as "light");
  • an interference signal by superimposing a portion of the scanning beam component reflected by the at least one object point on the reference beam component, wherein the portion of the scanning beam component reflected in the interference signal by the at least one object point has an optical path difference x_O relative to the reference beam component that depends on the position of the object point, in particular zero wherein the measurement signal is generated with a frequency comb spectrum with the same frequency comb intervals ⁇ f_Signal the individual frequency components and / or wherein the interference signal is conditioned or filtered by means of a frequency comb filter such that the filtered interference signal only a frequency comb spectrum with the same frequency comb intervals ⁇ f_Signal of the individual frequency components has; and wherein the method further comprises: temporally changing the frequency comb distances ⁇ f_Signal in the frequency comb spectrum of the measurement signal or the filtered interference signal and / or the optical path difference x_O such that the frequency comb intervals ⁇ f_Signal at least temporarily an integer multiple of the quotient
  • an electromagnetic measurement signal with a frequency comb spectrum is particularly preferably generated such that the frequency comb distances ⁇ f_Signal of the measurement signal (hereinafter also referred to as ⁇ f_Source) in a modulation interval [ ⁇ f_Signal_min; ⁇ f_Signal_max] (hereinafter also referred to as [ ⁇ f_Source_min; ⁇ f_Source_max]) of Frequency comb intervals are changed over time.
  • This temporal change can take place in various ways, as will be shown below in some examples.
  • a spectrum is referred to in a conventional manner, which is represented on the frequency composed of a plurality of equidistant frequency components, wherein the distances between adjacent frequency components in the frequency space as the frequency comb intervals ⁇ f_Signal be drawn. Not necessarily all frequency components must occur with the same intensity.
  • the intensity of the discrete frequency components is distributed according to or similar to a Gaussian curve, with the intensities of the frequency components decreasing from higher to lower frequencies starting from a central frequency.
  • the intensity or intensity change is preferably detected for a plurality of frequency comb distances ⁇ f_Source within the modulation interval around the at least one frequency comb resonance distance ⁇ f_Source_Res.
  • the intensity or intensity change is preferably detected for a multiplicity of different optical path differences x_O around at least one resonance condition.
  • a frequency comb modulation distance .DELTA.f_source_mod is determined from the detected values of the interference signal, in particular the intensity and / or intensity change, in particular as the frequency comb distance at the maximum modulation of the detected signal waveform of the interference signal and / or as the frequency comb interval at the signal maximum in the detected signal waveform of the interference signal and / or as a frequency comb spacing in the signal centroid of the detected signal waveform of the interference signal.
  • the determined frequency comb modulation distance ⁇ f_Quelle_Mod is stored and / or evaluated.
  • the frequency comb modulation distance .DELTA.f_Source_Mod determined in this way corresponds, to a good approximation, to the frequency comb resonance distance ⁇ f_Source_Res. Therefore, can be determined from the Frequency comb modulation distance ⁇ f_Source_Mod preferably information about the underlying optical path difference x_O, and thus determine an absolute and / or relative position of the at least one object point.
  • a spectrally integrating detector element is preferably used, at least in spectral subranges. This is in particular easier and cheaper to provide than high-resolution spectrometer, on the other hand, it achieves a particularly high sensitivity. Due to the possible omission of the use of complex, sensitive and high-resolution spectrometers for detection, the invention achieves a particularly simple and interference-insensitive interferometry with particularly high resolution, in particular for spatially resolved measurements or surveys or images of objects or their position in different sizes.
  • the principle according to the invention is not limited to a specific spectral range of the electromagnetic measurement signal or electromagnetic radiation (hereinafter also without limitation "light”) and / or a specific order of magnitude of the objects to be examined
  • the resolution capability is preferably limited only by diffraction effects of the electromagnetic radiation used, ie, it depends on the wavelength of the radiation used, a shorter wavelength thus preferably allowing a higher spatial resolution Resolution.
  • an excerpt, in particular a pixel or a cell, of a spatially resolving detector, in particular a detector array or detector array, having a multiplicity of optical detector elements is used as the optical detector element.
  • a high-resolution spectrometer eg a diffractive Grating spectrometer
  • a detector array also referred to as rasterized detector
  • a CCD camera and / or CMOS camera simultaneously a spatially two-dimensional image.
  • a spectral resolution is not required or already anticipated by the superposition of the resonance behavior of the two-beam interferometer and the frequency comb spectrum.
  • a spectrally integrating, rasterized detector is used, at least in spectral subareas.
  • generating the electromagnetic measurement signal comprises: generating an electromagnetic output signal having a continuous spectrum; and conditioning or filtering the output signal by means of a detunable multibeam interferometer for generating the electromagnetic measurement signal with a frequency comb spectrum such that the frequency comb intervals ⁇ f_Signal of the measurement signal in a modulation interval ([ ⁇ f_Signal_min; ⁇ f_Signal_max]) of the frequency comb intervals are changed over time.
  • a Fabry-Perot interferometer is preferably used as a multi-beam interferometer.
  • a superluminescent diode is used to generate the substantially continuous spectrum output signal.
  • the electromagnetic measurement signal is generated by means of a tunable frequency comb laser.
  • the method comprises determining a frequency comb modulation distance ⁇ f_Source_Mod from the detected values of the intensity and / or intensity changes of the interference signal (ie with the aid of or with the aid of the acquired values of the intensity and / or intensity changes of the interference signal), wherein the frequency-comb modulation distance ⁇ f_Source_Mod especially as frequency comb distance ⁇ f_Signal in the maximum modulation of the detected signal waveform of the interference signal; and / or as a frequency comb distance ⁇ f_Signal at the maximum signal in the detected waveform of the interference signal and / or; is determined as frequency comb distance ⁇ f_Signal in the signal center of gravity of the detected signal waveform of the interference signal.
  • the frequency comb distance ⁇ f_Signal is temporally changed in a predetermined manner, while the intensity and / or intensity change of the interference signal is measured or detected at a plurality of values of the frequency comb distance ⁇ f__Signal.
  • frequency comb modulation distance .DELTA.f_Source_Mod the value of the predetermined and changed frequency comb spacing .DELTA.f_Signal is preferably determined therefrom, wherein the maximum of the modulation of the detected signal waveform of the interference signal and / or the signal maximum in the detected waveform of the interference signal and / or the signal centroid of the detected waveform of the Interference signal occurs.
  • the signal center of gravity is preferably the mean value of the frequency comb distance ⁇ f_signal weighted with the magnitude of the detected values of the intensity and / or intensity changes of the interference signal.
  • the method comprises: a first scan (hereinafter also sometimes referred to as a long scan) in such a way that the frequency comb distances ⁇ f_Signal are thereby changed continuously; and a second scan (hereinafter also occasionally called short scan) executed repeatedly (in particular periodically) during the first scan, such that the optical path difference x_O is continuously changed such that the continuous change in the quotient c / x O caused thereby Sign after at least temporarily the first Scan effected continuous change of the frequency comb intervals .DELTA.f_Signal, wherein the detection of an intensity and / or intensity change of the interference signal takes place during each of the second scan.
  • a first scan hereinafter also sometimes referred to as a long scan
  • a second scan hereinafter also occasionally called short scan
  • the detection of an intensity and / or intensity change of the interference signal takes place in a period of the repeated second scanning process, in which the change of the frequency comb distances ⁇ f_Signal corresponds to the sign after the change of the quotient c / x_O.
  • the change of the frequency comb distances ⁇ f_Signal corresponds to the sign after the change of the quotient c / x_O.
  • the method comprises: a first scan (hereinafter also sometimes called a long scan) in such a way that the optical path difference x_O is continuously changed; and a second scanning process performed during the first scan (hereinafter occasionally also referred to as short scan) in such a way that the frequency comb distances ⁇ f_Signal are continuously changed such that the change of the frequency comb distances ⁇ f_Signal according to the sign at least temporarily corresponds to the continuous change in the quotient c / x_O caused by the first scan, the detection of an intensity and / or intensity change of the interference signal in each case taking place during the second scanning process.
  • a first scan hereinafter also sometimes called a long scan
  • a second scanning process performed during the first scan hereinafter occasionally also referred to as short scan
  • the detection of an intensity and / or intensity change of the interference signal takes place in a period of the repeated second scanning process, in which the change of the frequency comb distances ⁇ f_Signal corresponds to the sign after the change of the quotient c / x_O.
  • a reduction of the phase angular velocity in the interference image is efficiently effected during the creation of a photograph with the detector element.
  • an intensity and / or intensity change is detected during a detector integration period ⁇ tD during which the phase in the interference signal changes by no more than 180 degrees in magnitude.
  • the second scanning process preferably has a sawtooth curve of the optical path difference x_O or the reciprocal 1 / ⁇ f_signal of the frequency comb intervals ⁇ f_Signal over time, the detection of an intensity and / or intensity change of the interference signal occurring during the long edge of the sawtooth curve.
  • the second scanning process takes place in the form of a harmonic oscillation of the optical path difference x_O or of the inverse value 1 / ⁇ f_signal of the frequency comb distances ⁇ f_Signal over time, wherein the detection of an intensity and / or intensity change of the interference signal takes place in a period of time, which contains the passage of the harmonic oscillation through the point or point of inflection of the movement in the positional space (ie in particular that point with maximum speed) in which the change of the frequency comb distances ⁇ f_Signal corresponds to the sign after the change of the quotient c / x_O.
  • This preferably corresponds to the maximum point of the intensity or modulation in the interference signal.
  • the invention provides an apparatus for interferometry, comprising: a measurement signal source for generating an electromagnetic measurement signal; an interferometer arrangement which is designed to split the measuring signal, in particular by means of a beam splitter element of the interferometer arrangement, into a scanning beam component and a reference beam component; to irradiate at least one object point with at least a part of the scanning beam component, in particular by means of a lens of the interferometer arrangement; and an interference signal is generated by superimposing a portion of the scanning beam component reflected by the at least one object point on the reference beam component, wherein the portion of the scanning beam component reflected by the at least one object point in the interference signal has an optical path difference x_O relative to the reference beam component dependent on the position of the object point; wherein the measurement signal source is adapted to generate the measurement signal with a frequency comb spectrum with equal frequency comb intervals ⁇ f_Signal the individual frequency components and / or wherein the apparatus further comprises a frequency comb filter which is adapted to filter the interference signal
  • the interferometer arrangement comprises a Fizeau interferometer and / or a Michelson interferometer and / or a Twyman Green interferometer and / or a Mirau interferometer and / or a Linnik interferometer and / or a Mach-Zehnder interferometer.
  • the measurement signal source comprises a tunable frequency comb laser.
  • the measuring signal source comprises: a radiation source for generating an electromagnetic output signal with a continuous spectrum; and a frequency comb filter, in particular a tunable multi-beam interferometer, such as a Fabry-Perot interferometer, with an adjustable or variable delay length Y, for filtering the output signal for generating the electromagnetic measurement signal with a frequency comb spectrum such that the frequency comb intervals ⁇ f_Signal of Measuring signal in a modulation interval ([ ⁇ f_Signal_min; ⁇ f_Signal_max]) of the frequency comb intervals are temporally changeable.
  • a frequency comb filter in particular a tunable multi-beam interferometer, such as a Fabry-Perot interferometer, with an adjustable or variable delay length Y, for filtering the output signal for generating the electromagnetic measurement signal with a frequency comb spectrum such that the frequency comb intervals ⁇ f_Signal of Measuring signal in a modulation interval ([ ⁇ f_
  • the measuring signal source comprises a first signal scanning device for performing a first scanning or signal scanning operation (hereinafter also sometimes referred to as long scan) in such a way that an optical delay length or path length Y of the signal path in the measuring signal source is changed continuously , and a second signal scanning device for carrying out a second scanning or signal scanning process (hereinafter also occasionally also referred to as short scan) which is repeated (in particular periodically) during the first signal scanning, in such a way that the optical delay length or Path length Y of the signal path in the measuring signal source is continuously changed such that the change in the optical delay length by the second signal scanning operation is opposite to the sign after at least temporarily the change of the optical delay length by the first signal scanning operation.
  • a first signal scanning device for performing a first scanning or signal scanning operation (hereinafter also sometimes referred to as long scan) in such a way that an optical delay length or path length Y of the signal path in the measuring signal source is changed continuously
  • a second signal scanning device for carrying out a second scanning or signal scanning process (herein
  • the method for interferometry thus preferably comprises a corresponding first or second signal scanning process.
  • the detection of an intensity and / or intensity change of the interference signal takes place in each case during the second signal scanning process.
  • the detection of an intensity and / or change in intensity of the Interference signal in a period of the repeatedly performed second signal scanning operation in which the change of the optical delay length by the second signal scanning operation is opposite to the sign after the change of the optical delay length by the first signal scanning operation.
  • the first and second signal scanning device preferably form two spatially separate scanners (one for the long and one for the short scan) in the measurement signal source.
  • phase angle velocity preferably does not change at regular time intervals or only so slightly that an interference image can then be recorded by a screened detector in each case with particularly good resolution. This is especially advantageous for miniaturized measuring systems with a small numerical aperture, since then preferably no mechanical scanning process has to be performed on the sensor.
  • the device preferably comprises an optical waveguide for transmitting the measurement signal from the measurement signal source to the interferometer arrangement.
  • the control device is preferably designed to synchronously control a first and a second scanning process in such a way that the frequency comb distances ⁇ f_signal are changed continuously in the first scanning process; and in which the optical path difference x_O repeatedly executed during the first scan scan is continuously changed such that the continuous change in the quotient c / x_O caused thereby corresponds to the frequency comb distances ⁇ f_Signal according to the sign after at least the continuous scan caused in the first scan process and wherein the control device is designed to control the at least one detector element such that the detection of an intensity and / or Intensticians selectedung of the interference signal in each case during the second scan takes place.
  • control device is designed to synchronously control a first and a second scanning process such that in the first scanning process the optical path difference x_O is changed continuously; and in the second scan repeatedly executed during the first scan advance, the frequency comb distances ⁇ f_Signal are continuously changed such that the change corresponds to the frequency comb intervals ⁇ f_Signal following the sign after at least temporarily the continuous change in the quotient c / x_O caused by the first scan, and wherein the control device is designed to control the at least one detector element such that the detection of an intensity and / or intensity change of the interference signal takes place in each case during the second scanning process.
  • the invention achieves in particular measuring systems with a wide-scale customizable measuring or scanning accuracy - depending on the need from subnanometer resolution to millimeter resolution - the economic use to supply.
  • the goal here is also a high robustness of the measurement.
  • electromagnetic (optical) signals from these depths, for example, at object distances of the order of one meter, in a particularly suitable, especially particularly good evaluable waveform for a planar field of view or at least for a linear field of view. It can do it preferably many laterally adjacent object elements or object points become appropriate at the same time.
  • it is thus achieved to provide readily analyzable electromagnetic (optical) signals in the electromagnetic (optical) probing of objects by the method according to the invention by means of a camera which preferably measures areally and / or linearly.
  • the obtained electromagnetic (optical) signals lead in particular to comparatively good, in particular clearly evaluable measurement results.
  • color cameras can be used as detectors.
  • the term light is always used as a synonym for electromagnetic radiation, in particular from the terahertz, over the infrared to the deep UV range.
  • Another advantage here is also to be able to measure with wide scale, with different, trained according to the inventive approach sensors, each in all three spatial coordinates - including the depth.
  • This is preferably also possible in a measuring volume of, for example, 20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m up to one cubic meter.
  • the limits with regard to the ascertainable measurement volume upwards are determined only by the available light energy and also by the available measurement time.
  • the microscopic scale preferably only the diffraction limit makes A limiting factor in the lateral resolution noticeable, whereby the achievable effective lateral resolution can be further increased by means of suitable numerical methods.
  • With the depth resolution a subnanometer resolution is achieved when using suitable components.
  • a sensor has comparably small dimensions.
  • Fields of application of the inventive solution are in particular: the microform and the microprofile measurement, the measurement of roughness as well as the mini-form measurement, the shape measurement on no or little cooperative surfaces, as well as e.g. human liver tissue.
  • An example of the application of the invention here is also the detection of the microform on the inner ear in humans in the surgical operation phase and the intraoral shape detection of human teeth.
  • Another preferred field of application of the invention is the form detection on technical teeth in gears and on objects with a high aspect ratio.
  • a preferred field of application is the highly accurate measurement of the shape of partially reflecting, weakly light scattering and thereby strongly inclined gear tooth surfaces.
  • Another preferred field of application is the measurement of polished and unpolished aspheres in transmission as well as specular aspheres, spectacle lenses and free-form surfaces, in particular for optical imaging.
  • the invention can also be used in particular for geometric measurements in ophthalmology.
  • the use in endoscopic 3D systems leads to well-miniaturized sensor solutions with high measurement accuracy.
  • the invention is in particular also for the determination of the optical thickness n '* d, with n' as optical refractive index and d as the geometric path length, or the optical path lengths n '* d of biological micro-objects, cells or cell components in the label-free diagnostics and analysis used.
  • cells or cell components can be measured laterally with high resolution, that is also with images, with regard to the distribution and variation of their optical thicknesses.
  • living cells or constituents of living cells can also be detected pictorially in transmitted or incident light with regard to the optical thick distributions or their changes in a process.
  • an optical volume memory for example in the form of an optical multi-layer memory
  • the method preferably also for fast reading optical data from optical volume storage can be used.
  • the invention provides a method and an apparatus or arrangement for scalable confocal interferometry in transmitted light or reflected light in a scanning measuring process for the relative or absolute depth measurement or distance measurement of a technical or biological object or object elements, for microscopic, mesoscopic or macroscopic 2D or 3D acquisition of technical or biological objects or for OC tomography or OC microscopy or for endoscopic 2D or 3D metrology or for measuring layer thicknesses, resolved laterally or over time, or their lateral or temporal changes.
  • an optical volume memory for example in the form of an optical multi-layer memory
  • the method can be used in particular for the rapid readout of optical data from optical volume stores.
  • the presence and the geometric distribution of reflective or light-scattering elements in a volume of a data carrier are detected.
  • chromatic-confocal object-imaging interferometer with at least approximated two-beam characteristic - ie with a predetermined chromatic depth splitting of foci in the object space
  • At least one light source in which case light in the sense of electromagnetic radiation of terahertz over IR, VIS to UV radiation is understood.
  • the object-imaging interferometer preferably has a non-zero optical path difference x_O at each optically detected object element.
  • This should preferably be at least two micrometers.
  • the optical path difference can typically be much larger - in extreme cases up to the range of several millimeters or up to several meters.
  • the size ⁇ f_object corresponds exactly to the period length in the wavelet.
  • a spectrally integrally detecting, rasterized detector that is to say for example with very many with pixels, is arranged for this electromagnetic radiation.
  • this screened detector is thus preferably formed with a single spectral channel in each pixel. So this can be a common grayscale CCD or grayscale CMOS camera that only registers gray values but no colors in each pixel.
  • the use of a color camera is possible, which is also not yet regarded as a spectrometer, but as a camera with three or four spectral channels.
  • the light source is formed as a frequency comb light source in the optical system.
  • the frequency comb preferably covers a certain spectral range.
  • the frequency comb distances of the light source .DELTA.f_Source are changed in the measurement process gradually over the time predetermined in the entire spectral range of the light source.
  • These frequency comb intervals can change in the range of a few parts per thousand up to a few percent of the initial value. In extreme cases, the changes may even be a multiple or a small fraction of the output value of the frequency comb distances ⁇ f_Source.
  • These changes in the frequency comb distances ⁇ f_Source can thus - made relatively large - be made very large.
  • the light source is represented by a spectral continuum light source or at least by a quasi-continuum light source, and this light source is preferably followed by a multi-beam interferometer with predetermined change in the optical delay length Y of the multi-beam interferometer in the measurement process that at least approximately a frequency comb characteristic is formed in the detection.
  • This reordering refers to the entire space of the optical system, including the space immediately in front of the screened receiver, , ie in the detection beam path. So the multi-beam interferometer is always downstream of the light source and upstream of the rasterized detector.
  • the delay length Y 2 L with L as the distance of the interferometer end mirror. This applies exactly only to a vacuum arrangement, or approximately for an air arrangement, when the refractive index is approximated by the value one.
  • a frequency comb laser having an optical delay length Y.
  • This frequency comb laser is formed with an at least approximately equidistant frequency comb, but over the time predetermined variable frequency intervals ⁇ f_Source of the maxima or spikes in the frequency comb.
  • This equality is produced by varying the delay path length Y in the light source at least once during the measurement process for each object object or object being probed, whereby a short-period modulation in the signal sequence occurs.
  • This waveform is repeatedly scanned over time by means of spectrally integrally detecting, rasterized detector, wherein at least one pixel of this spectrally integrally detecting, rasterized detector is optically associated with each of an object element.
  • the pixels of a color camera can here also be regarded as spectrally integrally detecting sensor elements in comparison to the sensor elements of a spectrometer.
  • the refractive index can generally be well approximated with the value one, especially on the microscopic scale. It is also possible that for different object elements i only changes in the delay length Y_Mod i for the different object elements i are determined and evaluated by the actual distances L_Mod i the end mirror of the multi-beam Interferometers are determined and stored and the calculation of the associated optical path differences x_O i made accessible.
  • the rastered detector of electromagnetic radiation is successively read out several times, and in each pixel of the rasterised detector the intensities are summed up, at least in part, spectrally integrally.
  • the detector can be a planar monochrome CCD or a CMOS camera.
  • each object element is assigned at least approximately one pixel by optical imaging.
  • coarse information about object distances can be obtained in the chromatic-confocal approach by evaluating the intensities in the color pixels.
  • the detector is a color CCD or color CMOS camera. Then each object element is assigned three or four pixels, but in different spectral ranges.
  • the determination of the optical path difference x_O or its changes ⁇ x_O over time may also be the target of the measurement alone, for example in the measurement of thin biological objects.
  • chromatic depth splitting In the case of chromatic depth splitting, confocal discrimination of the total spectrum of the light source, also referred to as the global spectrum, in the chromatic-confocal approach always uses only a partial region, ie. it only contributes to a part of the total spectrum of the light source for signal formation in the pixels of the screened detector.
  • the chromatic depth splitting therefore increases the depth, distance or distance measuring range at a given numerical aperture, but at the same time reduces the depth resolution, since the half-width of the detected signal increases with decreasing spectral range used. This reduces the depth measurement resolution.
  • Distance measurement range and distance measurement resolution to be selected in the measurement by the choice of the size of the chromatic power of a sensor and thus the coming to detection spectral width of the light used. If there is no chromatic splitting in the sensor, only the width of the total spectrum of the light source, ie the wavenumber range contributing to the detection, determines the achievable depth measurement resolution. In arrangements with an object-imaging system with a rather small or very small numerical aperture for measurements on a coarse scale, the chromatic depth splitting can be completely dispensed with if the wave-optical depth of field is sufficiently large for the measurement task.
  • the signal modulation in the detected signal profile is preferably evaluated for determining the absolute or relative object depth, if the case occurs when the frequency comb is changed in a predetermined manner
  • n 1. Then, there is no subsampling of the signal curve and, as a rule, a comparatively good signal-to-noise ratio is produced.
  • the necessary scan path or scan area is advantageously reduced by the factor n of the undersampling.
  • the waveforms then may need to be sampled finer in depth, as these then become narrower in width over the wavenumber.
  • the light source is designed as a frequency comb light source with a fixed optical retardation length Y in the optical system, preferably as a frequency comb microsampler, as already described in the 2007 literature.
  • the frequency comb distances ⁇ f_Source are thus kept constant.
  • the optical path difference x of the object-imaging interferometer is consequently altered by moving this object-imaging interferometer as a compact miniaturized module in the depth direction sensitively in the measurement process in relation to the object and the rasterized detector is read several times. Again, the signal waveform is evaluated in the occurrence of the equality of optical path difference x_O in an object element and optical delay length Y.
  • the object-imaging interferometer is preferably designed as a slim, miniaturized Fizeau interferometer, which thus has common path properties. Moving such an optical system mechanically sensitively in the direction of light is in many cases technically feasible.
  • the size of the chromatic refractive power in the object-imaging interferometer, whereby the degree of depth splitting changes can be adapted specifically to the depth of the object to be measured.
  • the light source can be constructed, for example, from individual light sources, for example superluminescent diodes, each having a downstream Fabry-Perot interferometer.
  • the Fabry-Perot interferometer is upstream of the rasterized detector.
  • the superluminescent diodes are operated and switched individually or in smaller groups, in order to work with well-adapted spectral ranges, in order to generate well-evaluable optical signal characteristics for the respective object.
  • controllable spectral filters when using strong light sources, which the width of the control and adjust the spectrum used.
  • the width of the control and adjust the spectrum used For a strong dispersion in the optical medium of the object space can greatly reduce the modulation depth in the signal curve if the spectral range used is too broad.
  • a strong limitation of the spectral range used ie the wavenumber or frequency range, brings about a reduction in the measurement accuracy by increasing the half-width of the signal, the measurement is possibly made possible in the first place.
  • the optical path difference, or the optical path length, in a point or element of a micro-object, for example a living cell can be detected. That is, the geometric path length is not or less of interest. This may be of great interest in marker-free monitoring of biological cells or cell constituents, since the information on the course of subcellular processes is significantly reflected in many processes, above all in the change in the optical path length. This change is then measured in high resolution over time.
  • deposits of extremely thin layers on substrates can also be detected. These layers may consist of proteins, for example.
  • the elimination of the dispersion can be done in any case by using the same media, usually liquids, in the object space and in the multi-beam interferometer or laser resonator, wherein the optical attenuation of the medium is observed.
  • the optical path difference, or the optical path length, in a point or element of a micro-object can be detected. This may be of great interest in the marker-free monitoring of biological cells or cell constituents, since the information on the progress of subcellular processes is significantly reflected in the change in the optical path length. This is then measured high-resolution over time.
  • the dispersion of the multi-beam interferometer can preferably be made at least approximately equal to the dispersion in the object space. This is well possible when measuring biological objects in aqueous solution in which the multi-beam interferometer, preferably an encapsulated Fabry-Perot interferometer, is also operated in water, so that multi-beam interference takes place in the Fabry-Perot interferometer in water. This leads to signal curves with a high degree of modulation, since the dispersions can be adjusted quite well.
  • FC long scan with the time ⁇ t_lang_fc, since this is preferably continuous and preferably at least as is performed long as a modulation occurs in the waveform, so a variable interference pattern at the output of the object-imaging interferometer arises.
  • this FC long scan is to be carried out via the change ⁇ y in the delay length Y in a multi-beam interferometer or via the change ⁇ y in the optical delay length Y in the resonator of a frequency comb laser.
  • at least three short scans synchronized with this FC long scan are preferably performed simultaneously with the long scan, ie the predetermined scan of the frequency distances of the light source, either in the reference arm or in the object arm of the object-imaging interferometer, which scans are significantly shorter in their time duration ⁇ t_kurz_lnt as the duration ⁇ t_lang_fc of the long scan.
  • phase angle velocity in the rasterized detector causes - at least for a portion of the time ⁇ t_kurz_lnt - a reduction in the phase angle velocity in the rasterized detector to be picked interference image, including a phase angle velocity with the amount zero, by in the period .DELTA.t_kurz_lnt both the amount of the delay length Y and the amount of optical retardation x_O each increase both or each reduce both.
  • the resulting phase angular velocity d ⁇ / dt in radians is thus at least in the long scan of the frequency comb light source synchronized short scan of the object imaging interferometer approximately:
  • phase angular velocity d ⁇ / dt becomes zero when the magnitudes and the sign of n ⁇ Y and ⁇ x_O in the time period ⁇ t_kurz_lnt are the same.
  • These short scans which change the optical path difference in the object-imaging interferometer, are preferably carried out in the reference arm with advantage if the object-imaging interferometer is designed with a chromatic-confocal beam path in the object arm.
  • the object-imaging interferometer is designed with a chromatic-confocal beam path in the object arm.
  • there is thus a chromatic depth splitting which allows a sharp image of the optically touched object elements in the measuring range, so that a scan in the object arm is usually superfluous.
  • This also has constructive advantages for a miniaturization of the measuring device or arrangement, since the object arm can thus remain free of movement means.
  • the short scans can preferably also be carried out in the object arm.
  • the change in the optical path difference ⁇ x_O in the object-imaging interferometer in a short scan is more likely to be one-tenth of the change n ⁇ Y, or even less.
  • the phase in the interference image changes by a maximum of 180 degrees in magnitude, but typically only in the amount between zero degrees and 90 degrees.
  • the case of zero-degree phase change in the detector integration period ⁇ tD means that the FC long scan and each short scan are exactly synchronized.
  • Delay length Y is made in a resonator of a frequency comb laser.
  • the duration of a short scan ⁇ t_kurz_lnt can be at least approximately the same the detector integration period .DELTA.tD be made.
  • the interference phenomenon in the detected pixels of the rasterized detector in the detector integration period ⁇ tD then remains at least approximately unchanged in practice.
  • the optical path difference in the object-imaging interferometer or in a multi-beam interferometer or in the resonator of a frequency comb laser synchronized working piezo actuator can be arranged.
  • the short scans further at least approximately a sawtooth curve of the optical path difference x_O of the object-imaging interferometer over time, wherein the inclusion of interference images by rasterized detector within the period .DELTA.t_kurz_lnt in the sawtooth preferably takes place when the long edge of the tooth is traversed.
  • the length of time for the long edge preferably corresponds at least approximately to the integration time duration ⁇ tD of the rastered detector.
  • the amount of change in the optical path difference in the object-imaging interferometer between two directly successive short scans is freely selectable.
  • the magnitude of this change in magnitude is at least approximately equal to the magnitude of the centroid wavelength in the spectrum used.
  • short scans are preferably performed at least approximately in the form of a harmonic oscillation.
  • the inclusion of interference images by means of rastered detector takes place within the period ⁇ t_kurz_lnt preferably in at least approximately linear part of the path-time curve of the oscillation, wherein the oscillation amplitude is chosen so that the phase change of the interference in the detector integration period .DELTA.tD is at most 180 degrees, rather but preferably a value below 90 Old degree approximates.
  • the image pickup frequency is preferably made equal to the frequency of the harmonic oscillation or an integral multiple thereof.
  • At least three short scans are preferably carried out per FC long scan and thus at least three interference images are recorded by means of a rasterized detector in the FC long scan.
  • at least ten short scans are preferably carried out, and thus ten interference images are recorded in the FC long scan, but usually preferably hardly more than one hundred interference images.
  • typically at least one hundred to one thousand interference images would need to be captured in the FC long scan, or it would be necessary to work with short exposure during detection. This is relatively technically complicated or time consuming.
  • the rastered detector can be designed as a monochrome or color matrix CCD or CMOS camera.
  • a chromatic-confocal, object-imaging interferometer with at least approximately two-beam characteristic - ie with a predetermined chromatic depth splitting of foci in the object space
  • At least one light source in which case light in the sense of electromagnetic radiation of terahertz over IR, VIS to UV radiation is understood.
  • the object-imaging interferometer at each optically detected object element on a preferably different from zero optical path difference.
  • This should preferably be at least two micrometers.
  • the optical path difference in the interferometer typically also be much larger - in the extreme case to the range of several millimeters to several meters.
  • the size ⁇ f_object corresponds exactly to the period length in the wavelet.
  • At least one raster detector which is spectrally integrally detecting at least in spectral subareas, is arranged for this electromagnetic radiation.
  • the light source is in the optical as a frequency comb light source
  • either the light source is represented by a spectral continuum light source or at least by a quasi-continuum light source and this light source is followed by a multi-beam interferometer with predetermined measurement of the simple optical delay length Y of the multi-beam interferometer.
  • the multi-beam interferometer is provided with means for varying the simple optical delay length Y.
  • the multi-beam interferometer preferably has a high finesse in order to achieve good discrimination.
  • the light source is represented by a frequency comb laser with the optical delay length Y and this frequency comb laser is formed with an at least approximately equidistant frequency comb, but over the time predetermined variable frequency intervals .DELTA.f_Source of maxima or spikes in the frequency comb.
  • This frequency comb laser is provided with means for varying the simple optical delay length Y.
  • the frequency comb laser may also be designed as a terahertz laser. It is also possible that the frequency comb laser is preferably formed with a micro-resonator, ie a comparatively small optical delay length Y, with a wavelength range in the infrared range between 1400 nm and 1700 nm and a frequency spacing of several 100 GHz.
  • a plurality of frequency comb lasers are operated in parallel, for example one each in the red, in the green and in the blue spectral range and for detection, preferably a conventional RGB three-chip color camera is used. Then each object element optically preferably three pixels (RGB) are assigned.
  • RGB three pixels
  • the multi-beam interferometer may preferably be formed by means of a cyclic fiber optic fiber arrangement.
  • the tuning of the multi-beam interferometer is preferably carried out by a highly dynamic, computer-controlled mechanical stretching of the fibers.
  • the fibers are preferably wound on a computer-controllable piezo-expansion rod.
  • a further preferred apparatus or arrangement for scalable confocal interferometry in transmitted light or reflected light for the relative or absolute depth measurement or distance measurement of a technical or object elements for microscopic, mesoscopic or macroscopic 2D or 3D detection of objects or for OC tomography or OC microscopy or for endoscopic 2D or 3D metrology of technical or biological objects or for determining layer thickness in a scanning measuring process, the following means are used:
  • a chromatic-confocal, object-imaging interferometer with at least approximately two-beam characteristic - ie with a predetermined chromatic depth splitting of foci in the object space - and at least one light source, in which case light in the sense of electromagnetic radiation of terahertz over IR, VIS to UV radiation is understood.
  • the light source represented by a spectral continuum light source or by a quasi-continuum light source and this light source downstream of a multi-beam interferometer.
  • the light source is preferably on the other hand represented by a frequency comb laser with the optical delay length Y.
  • This frequency comb laser is preferably formed with a micro-resonator.
  • the object-imaging interferometer always has a non-zero optical path difference x_O at each optically detected object element.
  • the size ⁇ f_object corresponds exactly to the period length in the wavelet.
  • At least one raster detector which is spectrally integrally detecting at least in spectral subareas, is arranged for this electromagnetic radiation.
  • the object-imaging interferometer means are predetermined
  • the optical path difference x_O is equal to the fixed optical retardation length Y when changing the optical path difference, and a modulated signal waveform can be detected from the at least approximately knowledge of the refractive index in the object medium depth or distance information for an object element at least approximately mathematically be determined.
  • the sensor is tuned so that the optical delay length Y is set so that if this delay length Y and optical path difference x_O in an object element is equal to a sharp image of this object element to a pixel of the screened detector.
  • the multi-beam interferometer or the frequency comb laser is preferably constructed with optical waveguides.
  • the multi-beam interferometer or the frequency comb laser preferably has a cyclic beam path.
  • the object-imaging interferometer may preferably also be designed as a Fizeau interferometer, Michelson interferometer, Twyman-Green interferometer, Mirau interferometer, Linnik interferometer - also with triple reflector in the reference arm - or Mach-Zehnder interferometer.
  • an imaging system for object illumination and object detection is assigned to the interferometer.
  • an optical volume memory for example in the form of an optical multi-layer memory
  • the method can basically also be used for fast reading of optical data from optical volume stores , In this case, the presence and the geometric distribution of reflective or light-scattering elements in a volume of a data carrier are detected.
  • the following describes a preferred method for scalable interferometry in transmitted light or incident light in a scanning measuring process.
  • At least one light source in which case light in the sense of electromagnetic radiation of terahertz over IR, VIS to UV radiation is understood.
  • the object-imaging interferometer has a non-zero optical path difference x_O at each optically detected object element.
  • This optical path difference x_O should have at least the magnitude of the shortest wavelength of the light source coming to the detection.
  • the optical path difference can typically be much larger - in extreme cases up to the range of several millimeters or even up to several meters.
  • On the basis of this optical path difference x_O have the maxima one - to an optically detected object element respectively associated - at least approximately sinusoidal frequency wavelet computationally a frequency spacing of
  • ⁇ f_object c / x_O on - with c equal to the vacuum speed of light and x_O equal to the optical path difference in the object-imaging interferometer associated with the respective optically detected object element.
  • the size ⁇ f_object corresponds to the period length in the wavelet.
  • a spectrally integrally detecting, at least in spectral subranges, rasterized detector that is, for example, with a great many pixels, arranged for this electromagnetic radiation.
  • this screened detector is therefore preferably formed with a single spectral channel in each pixel. So this can be a common grayscale CCD or grayscale CMOS camera that only registers gray values but no colors in each pixel.
  • the use of a color camera is possible, which is also not yet regarded as a spectrometer, but as a camera with three or four spectral channels.
  • the optical path difference in the measurement of an object, ie in the measuring process, in the object-imaging interferometer changes at least approximately continuously or quasi-continuously changed, wherein either the optical path in the object arm or the optical path in the reference the same is changed at least approximately continuously, so an interferometer remains unchanged in each case.
  • This change in gait represents an interferometer long scan which takes place in the time period ⁇ tjangjnt.
  • the light source is formed as a frequency comb light source in the optical system.
  • the frequency comb covers a certain spectral range.
  • the frequency comb distances of the light source ⁇ f_Source are changed in the measurement process over time, predetermined in the entire spectral range of the light source. These changes in the frequency comb distances ⁇ f_Source are called Short scans, which are performed in the period .DELTA.t_kurz_fc and synchronized to the interferometer long scan and the rasterized detector
  • the light source on the one hand by a spectral continuum light source or at least by a quasi-continuum light source is shown and this light source is a multi-beam interferometer with predetermining in the measurement changing the optical delay length Y of the multi-beam interferometer, so that at least approximately a frequency comb characteristic is formed in the detection.
  • This reordering refers to the entire space of the optical system, including the space immediately in front of the rasterized receiver, ie in the detection beam path. So the multi-beam interferometer is always downstream of the light source and upstream of the rasterized detector.
  • the delay length Y 2 L with L as the distance of the interferometer end mirror. This applies exactly only to a vacuum arrangement, or approximately for an air arrangement, when the refractive index is approximated by the value one.
  • This frequency comb laser is formed with an at least approximately equidistant frequency comb, but over the time predetermined variable frequency intervals ⁇ f_Source of the maxima or spikes in the frequency comb
  • the predetermined change of the frequency comb with respect to the frequency intervals of the maxima or spikes is performed by means of predetermined changes of this optical delay length Y as a short scan and in the period ⁇ tjangjnt of the interferometer long scan at least three short Scan performed the frequency comb light source.
  • the time duration ⁇ tjangjnt is at least three times as long as the time duration ⁇ tj ⁇ irzjc.
  • At least three FC short scans synchronized to this interferometer long scan are thus simultaneously carried out for the interferometer long scan, either in the reference arm or in the object arm of the object-imaging interferometer, which in their time duration ⁇ t_kurz_fc is significantly shorter than the time duration ⁇ tjangjnt of the Long scans are done.
  • These short scans preferably cause - at least for a portion of the time ⁇ t_kurz_fc - a reduction in the phase angle velocity in the rasterized detector to be included interference image, including a phase angle velocity with the amount zero, by in the period .DELTA.t_kurz_fc both the amount of the delay length Y and the amount of the optical path difference x_O each enlarge both or both reduce in size.
  • phase angular velocity d ⁇ / dt in radians is thus at least approximately in each case in the short scan of the frequency comb light source:
  • the phase angular velocity d ⁇ / dt becomes zero when the magnitudes and the sign of n * ⁇ Y and ⁇ x_O are equal in the period ⁇ t_kurz_lnt.
  • phase angular velocity d ⁇ / dt can also reach zero due to the synchronization of the interferometer long scan and FC short scan, so that the interference pattern does not change in the time period ⁇ t_kurz_fc.
  • the optical path difference x_O in the object-imaging interferometer then amounts to an integer multiple of the delay length Y in the frequency comb light source at least approximately in the time duration ⁇ t_kurz_fc of at least one single short scan
  • ⁇ t_kurz_fc of at least one FC short scan at least approximately:
  • This equality is achieved by preferably continuously varying the optical path difference x_O of the object-imaging interferometer generated at least once and at least approximately in the measuring process for each probed object element or object.
  • the waveform is repeatedly sampled in the period of time ⁇ tjangjnt by means of spectrally integrally detecting, screened detector, wherein at least one pixel of this spectrally integrally detecting, rasterized detector is optically associated with each of an object element.
  • the pixels of a color camera can here also be regarded as spectrally integrally detecting sensor elements in comparison to the sensor elements of a spectrometer.
  • the depth position of each object element in the occurrence of the modulation of the waveform by the object-forming interferometer or components thereof associated Wegmesssystems, for example on the object itself or, for example, on the mechanical basis of the object-forming interferometer, and a scaling of the value " ⁇ f p_Mod" on the measured values the distance measurement are determined.
  • the rastered detector of electromagnetic radiation is read out several times successively, and in each pixel of the rasterized detector, the intensities are at least partially summed spectrally in their entirety.
  • the detector can be a planar monochrome CCD or a CMOS camera.
  • each object element is assigned at least approximately one pixel by optical imaging.
  • the detector is a color CCD or color CMOS camera. Then each object element is assigned three or four pixels, but in different spectral ranges.
  • the determination of the optical path difference x_O or its changes ⁇ x_O over time may also be the target of the measurement alone, for example in the measurement of thin biological objects.
  • a relative movement is carried out between the object-imaging interferometer or at least components thereof and the object, so that a focussing in the object space takes place in the time duration ⁇ tjangjnt, and at least at one point in time ⁇ tjangjnt the object or Elements of the object are at least approximately sharply imaged optically.
  • the short scans preferably at least approximately have a sawtooth curve of the optical delay length Y over time.
  • the inclusion of interference images by means of a rastered detector within the time period ⁇ t_kurz_fc preferably takes place when the long edge of the tooth is traversed during the sawtooth curve.
  • the amount of change in the optical path difference in the object-imaging interferometer between two directly successive short scans is preferably freely selectable.
  • short scans are preferably performed at least approximately in the form of a harmonic oscillation and the recording of interference images by rastered detector preferably takes place in the at least approximately linear part of the course of the delay length Y over the time of the oscillation within the period ⁇ t_kurz_fc.
  • the oscillation amplitude is furthermore preferably selected such that the phase change of the interference in the detector integration period ⁇ tD is at most 180 degrees.
  • the image pickup frequency of the rasterized detector is preferably selected to be equal to the frequency of the harmonic oscillation or an integral multiple thereof.
  • the imaging of the object can preferably be carried out in a telecentric, central perspective or pericentric manner, the latter for example for the minimally invasive surgical technique, laparoscopy.
  • the light source may preferably be formed as a frequency comb laser with a macro-resonator with frequency spacings of several 100 MHz.
  • This macro-resonator can be designed to be tunable in frequency comb with respect to its frequency intervals.
  • the light source may preferably be formed on the other hand as a frequency comb laser with a micro-resonator with frequency intervals of several 100 GHz.
  • This micro-resonator can be designed to be tunable in frequency comb with respect to its frequency intervals.
  • the object imaging system must be designed to be at least approximately diffraction-limited, since otherwise no well evaluable signals.
  • the magnitude of the chromatic refractive power in the object illumination and imaging is preferably selected so that the resulting depth splitting of the foci is adapted in each case to the depth of the object to be measured. Thus, refocusing of the object-imaging system is not necessary.
  • FIG. 1 shows the sensor on the basis of a chromatic-confocal, two-beam spectral interferometer with a multi-beam interferometer arranged downstream of the light source for a relatively small object field with respect to the focal length of the object-imaging system.
  • the light from a high-intensity, fiber-coupled superluminescent diode 1 a in the near infrared range is coupled by means of focusing optics 2 in a single-mode fiber 3, exits from this at the output 4 of the singlemode fiber 3 again, is collimated by a lens 5 and enters a Fabry Per-interferometer 6, here designed as a Fabry-Perot interferometer 6 with the mirror spacing L, which is associated with a piezo actuator 25a.
  • a Fabry Per-interferometer 6 here designed as a Fabry-Perot interferometer 6 with the mirror spacing L, which is associated with a piezo actuator 25a.
  • an optical isolator not shown here, which should apply to all subsequent embodiments.
  • This Fabry-Perot interferometer has two highly mirrored semitransparent mirrors 7 and 8 with the mirror spacing L, so that high-finesse multi-beam interference exists at the output of the Fabry-Perot interferometer 6.
  • a multi-beam interference spectrum with frequency comb characteristic is generated.
  • the transmitted, narrow-band spectral components form a comb with equidistant distances ⁇ f_Source in the wavenumber space, the k-space, or the frequency space, the f-space.
  • the distances of the maxima of the transmitted, narrow-band intensities always have the same wavenumber difference .DELTA.f_source because of the multi-beam interference.
  • the light leaving the Fabry-Perot interferometer 6 with spectral comb characteristic passes through a beam splitter 9 and reaches a microlens array 10 with microlenses 11. Foci are formed. These are imaged by the lens 12 to infinity.
  • the light passes in the focal plane of the objective 12 a diffractive zone lens 13 with a light-diffusing effect, which is designed as a phase grating.
  • zeros are formed in the zeroth order, which act as reference bundle R_0, and bundles in the first order O_1 ⁇ , which bundles represent chromatic-depth-split, discretized object bundles which, after focusing by means of GRIN lens 14 and refractive surface 16, have different depth positions of the focuses Form object space, so that over the wavelength ⁇ for each imaged focus of a microlens a discretized focus chain 18 is formed, but only at those points in the spectrum where transmission through the transmission maxima of the comb spectrum of the Fabry-Perot interferometer 6 exists.
  • the objective 12, the diffractive zone lens 13, the GRIN lens 14 and the refractive surface 16 together form a chromatic imaging system 15.
  • the reference beams R_0 which have arisen in the zeroth diffraction order after the diffractive zone lens 13, become focused on the refractive surface 16 focused, whereby there arises a relatively small field of Foki, said refractive surface 16 also represents the reference surface in the two-beam interferometer.
  • On the refractive Surface 16 is a beam splitter layer 17 with a relatively low reflectance.
  • the reference beams R_0 are reflected back into the sensor after reflection at the beam splitter layer 17.
  • the bundles in the first order O_1 ⁇ reach the object space, where the object 19 is located, which is hit exactly or at least approximately in each object element by one of the focuses of the focus chain 18.
  • the lens 22 is used the image on the CCD camera 23, so that in each pixel of this CCD camera 23 each consist of a reference beam and in the presence of a detected object element also a confocal discriminated object bundle. Interference arises between these bundles. Due to the confocal discrimination, only light from the object bundles O_1 ⁇ _1 comes to pixels of the CCD camera 23, which was focused approximately sharply. Object bundles, that is, which were imaged at least approximately sharply on the surface of the object 19 with a wavelength ⁇ , are also sharply imaged onto a pixel of this CCD camera 23 by the design of the optical arrangement.
  • FIG. 2 shows the intensity striking a pixel 23a of the CCD camera 23-as the mirror distance L in the Fabry-Perot interferometer 6 changes-from a detected object element of the object 19 imaged on the pixel 23a.
  • the optical system is dispersion-free and has a negligible phase offset. Shown is the intensity profile in the form of a wavelet on the pixel 23a of the CCD camera 23 when the mirror distance L is changed in the Fabry-Perot interferometer 6 at a constant speed and the case .DELTA.f_ pi equal ⁇ f_Source when changing the mirror distance L is reached and traversed.
  • the object element touched by the pixel 23a is 1 mm away from the reference surface 16.
  • the light source 1 a in this case has a spectrum with gaussian envelope with the wavelength range of 720 nm to 920 nm.
  • This is in particular a theoretically expected wave packet (wavelet), which would result from an interference of a component of an incident light with a continuous Gaussian spectrum reflected at the object 19 and a component 19 reflected from the object 19.
  • This object wavelet could possibly even be detected in an optical system according to FIG. 1 by means of a suitable continuum light source and by means of a high-resolution spectrometer, if the Fabry-Perot interferometer 6 is then removed and the continuum light source has a Gaussian profile in the spectrum having.
  • the wave packet shown in FIG. 3 does not arise directly. However, this wave packet illustrates the interference condition in the used two-beam interferometer.
  • the frequency spacing ⁇ f_source decreases.
  • FIG. 4 shows the transmission of the Fabry-Perot interferometer 6 in FIG. 4 and FIG.
  • it is not directly related to the spectrum of the light emerging in the embodiment of FIG. 1 at the Fabry-Perot interferometer 6, which likewise has only a finite spectral width, for example due to a finite spectral width of the light source used.
  • ⁇ f_source ⁇ f_object at an object point P of the object 19 in FIG. 1.
  • a signal modulation occurs in the signal curve over the mirror distance L in the Fabry -Erot interferometer 6.
  • This waveform is shown in FIG.
  • the waveform recorded in the frequency comb scan by continuously varying the mirror distance L of the Fabry-Perot interferometer 6 is shown in a pixel 23a of the CCD camera 23, which results by summing all the spectral components which could pass through the confocal aperture 21.
  • the optical path difference x_O 200 microns and the spectral range with enveloping Gaussian profile is between 1300 nm and 1800 nm.
  • the chromatic confinement of the spectrum by confocal discrimination is therefore low here, since the chromatic depth splitting is also low here.
  • the signals become smaller and smaller in the half-width, becoming narrower and less intense.
  • the distance of the modulated signals to each other also becomes smaller and smaller with increasing n.
  • the absolute order of these signal profiles can be determined by means of a comparatively simple system of equations via the changes ⁇ l_ 2-3 and ⁇ L 3-4, shown in FIG. 9, usually by means of a linear system of equations. be determined.
  • optical Path difference x_O in the object-imaging interferometer for each optically detected object element.
  • the distance or the depth of an object element P can then be calculated at least approximately from this optical path difference x_O, even if the refractive index in the object space is at least approximately known.
  • FIG. 14 shows an optical arrangement with chromatic properties in the object beam path and achromatic properties for the reference beam path.
  • the application is provided for macroscopic objects 19 at about one meter from the optical measuring system.
  • a tunable frequency comb laser 1 b having a delay length of Y is arranged.
  • the delay length Y is definably changed by +/- ⁇ Y in the resonator of the frequency comb laser 1 b by driver modules of the electronic system 26.
  • the frequency comb laser 1b is followed by an optical isolator, not shown here.
  • the light of this frequency comb laser 1b is coupled by means of focusing optics 2 in a single-mode fiber 3, exits from this at the output 4 of the singlemode fiber 3 again and is collimated by a lens 5.
  • the light passes through a beam splitter 9 and reaches a microlens array 10 with microlenses 11. Foci are formed. These are imaged by the lens 12 to infinity.
  • the light passes in the focal plane of the objective 12 a diffractive zone lens 13 with a light-diffusing effect, which is designed as a phase grating.
  • zeros in the zeroth order which function as reference beams R_0, and beams in the first order O_1 ⁇ are formed, these beams representing chromatic-depth split, discretized bundles of objects.
  • a refractive surface 16 In the optical system 15 is a refractive surface 16, wherein this refractive surface 16 also represents the reference surface in the two-beam interferometer.
  • the objective 12, the diffractive zone lens 13, a diffusing lens 24 and the refractive surface 16 together form a chromatic imaging system 15.
  • the reference beams R_0, which have arisen in the zeroth diffraction order after the diffractive zone lens 13, are applied to the refractive surface 16 sharply focused, creating a relatively small field of foci there.
  • On the refractive surface 16 is a beam splitter layer 17 with a relatively low reflectance.
  • the diverging lens 24 thus serves to increase the distance between the focus chain 18 produced by chromatic splitting and the measurement of a macroscopic field.
  • the 15 shows the intensity wavelet resulting on the pixel 23a of the CCD camera 23 during the Y-scan of the tunable frequency comb laser 1b. From this intensity wavelet, in the presence of an object element in the depth measuring range, the maximum of the envelope can be determined by means of suitable and known evaluation algorithms by a computer in order to calculate the depth position of each detectable object element of the object 19.
  • FIG. 16 shows a device or arrangement which is suitable above all for microscopic or mesoscopic application with a tunable frequency comb laser 1b having a delay length with a mean value of Y, variable in the resonator by +/- ⁇ Y.
  • the tunable frequency comb laser 1 b is tuned in a long scan. The course over time is shown in FIG. 17.
  • the light of this frequency comb laser 1 b in FIG. 16 is coupled into a singlemode fiber 3 by means of focusing optics 2, emerges therefrom again at the output 4 of the singlemode fiber 3 and is collimated by an objective 5.
  • the light passes through a beam splitter 9 and reaches a pinhole array 110 with pinholes 111. These pinholes 111 are imaged by the objective 12 to infinity.
  • the light passes in the focal plane of the objective 12 a diffractive zone lens 13 with a light-diffusing effect, which is designed as a phase grating.
  • a diffractive zone lens 13 with a light-diffusing effect, which is designed as a phase grating.
  • zeroth-order beams which act as reference beams R_0 and beams in the first order O_1 ⁇ , these beams representing chromatic-depth split, discretized object beams.
  • the objective 12, the diffractive zone lens 13 and the objective 14a for focusing together form a chromatic imaging system 15.
  • the reference beams R_0 which have arisen in the zeroth diffraction order after the diffractive zone lens 13, are applied to the refractive surface 16a on the plane-parallel plate 116 by means of an objective 14a sharply focused, creating a relatively small field of foci there.
  • this refractive surface 16 at the same time also the reference surface in the two-beam interferometer, here a Fizeau interferometer, is.
  • a beam splitter layer 17 On the refractive surface 16a of the plane parallel plate 116 is a beam splitter layer 17 with comparatively low reflectance.
  • the reference beams R_0 are reflected back into the sensor after reflection at the beam splitter layer 17.
  • the bundles in the first order O_1 ⁇ reach the object space, where the stationary object 19 is located, which is hit exactly or at least approximately in each object element by one of the focuses of the focus chain 18.
  • the backscattered from the surface of the object 19 light all bundles in the order O_1 ⁇ passes the plane parallel plate 116 and passes through the lens 14a again to the diffractive zone lens 13.
  • the plane-parallel plate 116 performs in the measuring process by means of piezoelectric actuator 25a several axial short scans in a sawtooth shape, which are synchronized in the duration of the short scan .DELTA.t_kurz_lnt for long scan of the frequency comb laser 1 b and read the CCD camera 23, so that in the duration of the short scan ⁇ t_kurz_lnt both the delay length Y of the frequency comb. Increase the laser 1 b as well as the optical retardation x_O in the Fizeau interferometer by the same amount. The temporal relationship is shown in FIG.
  • the synchronization, control and electrical drive of frequency comb laser 1 b, piezo actuator 25 a and CCD camera 23 via the not shown electronic modules of the electronic system 26 for system control, which also includes a computer, which also includes the evaluation of the camera signals takes over.
  • the amount of magnification here corresponds to the centroid wavelength ⁇ _S.
  • the change in the phase angle in the duration of the short scan ⁇ t_kurz_lnt is thus at least approximately zero and in this time duration ⁇ t_kurz_lnt an image is recorded by means of a CCD camera 23.
  • FIG. 20 shows an approach for the measurement of microscopically small objects 19 with a comparatively large numerical aperture and thus smaller Therefore, with a depth extension of the object 19, greater than the wavelength of the optical depth of field, it is necessary to perform a depth scan in order to be able to image all the object details once in the serial measuring process.
  • the temporal relationship is shown in FIG. This oscillation is a short scan.
  • the light of the frequency comb laser 1 b is coupled by means of focusing optics 2 in a single-mode fiber 3, exits from this at the output 4 of the singlemode fiber 3 again, by means of lens 124 to a rotating Mattture 105 steered, where a field is illuminated on this.
  • This luminous field is imaged by a lens 5 in the pupil of the mirror lens 127.
  • the light is incident on a beam splitter 109, which has a beam splitter layer 109a and a beam splitter layer 109b and belongs to an object imaging two-beam interferometer.
  • the light reflected at the beam splitter layer 109a passes back through the triple reflector 126 in the beam splitter 109 and now passes through the beam splitter layer 109b and passes through the lens 22 on the CCD camera 23.
  • the light passing through the beam splitter layer 109a then passes through the mirror lens 127 and passes on the object 19, which is moved in the measuring process in depth. The temporal relationship is made visible in FIG.
  • each object element of the object 19 is once imaged in a wave-optical manner onto the CCD camera 23 by reflecting the backscattered light after passing through the mirror objective 127 at the beam splitter layer 109b and imaging it onto the CCD camera 23 via the objective 22 ,
  • the CCD camera 23 records a stack of images during the measuring process, the image recording frequency here being 400 Hz.
  • the half-width of the spectrum of the used light of the frequency comb laser 1b is about 200 nm.
  • the object-imaging two-beam interferometer in FIG. 20 has, on average, an optical path difference x_O of 95 mm, which corresponds to the mean optical delay length Y of the frequency comb laser 1b.
  • the object 19 is moved in the measuring process with a speed of 172.2 microns / s in the depth.
  • the phase angle ⁇ in the interference image on the CCD camera 23 practically does not change in every fourth camera image, namely, when the retardation length Y and the optical retardation x_O increase by at least approximately the same amount, respectively, and the interference image becomes almost nearly every fourth camera image quiet.
  • An image is always stored here when the oscillation process of the frequency comb laser 1b is in the rise range Ai-2, Ai-1, Ai ....
  • the change of the phase angle in the pixels is approximately 756 degrees from a first image to a fifth image, each in the phase of a rise range Ai-2, Ai-2, Ai. This leads to a subsampling of the interference signals and provides over the depth scan of the object 19 in the pixels of the CCD camera 23 for each detected object point in each case a comparatively low-frequency wavelet.
  • the triple reflector 126 and the lens 127 are each as mirror systems educated.
  • the dispersion in the beam splitter plate 109 which is formed as a high-precision plane-parallel plate is the same in the two arms of the object-imaging interferometer, so that a nearly complete compensation of the dispersion in the object-imaging interferometer is given and advantageously no disturbing chirp effect occurs in the interference signal.
  • Another advantage of this arrangement is that no mechanical vibrations due to short scans can occur in the object-imaging interferometer, since these take place in the frequency comb laser 1b arranged spatially remote from the object-imaging interferometer.
  • Figure 24 illustrates the magnification of the optical retardation x_O versus the time of an interferometer long scan when, as shown in Figure 22, the object 19 in Figure 20 is advanced in depth in a long scan at a constant speed.
  • the dotted line also shows the difference between the optical path difference x_O and the delay length Y of the frequency comb laser 1b over time.
  • the increase of this difference that is, x_O -Y, is significantly reduced, and in these times of short scans, the CCD camera 23 is read out each time with the integration period ⁇ tD.
  • the increase in the optical retardation is 2.1 centroid wavelengths ⁇ _S.
  • the phase angle ⁇ interference is also modulated. This results in a variable change of the phase angular velocity d ⁇ / dt over time.

Abstract

Verfahren und Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie zur Abstandsmessung, zur 3D-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 Δf_Objekt auf. Zur Aufnahme des Objekts ist mindestens ein spektral integral detektierender, gerasterter Detektor angeordnet. Vorzugsweise ist die Lichtquelle mit Frequenzkamm ausgebildet und die Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle werden beim Messen vorbestimmt über der Zeit in einem Scan verändert. Die Frequenzabstände Δf_Quelle werden dabei für jedes Objektelement zumindest einmal gleich dem Frequenzabstand Δf_Objekt oder gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Frequenzabstände Δf_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 Δf_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 Weglängen, beispielsweise bei einem biologischem Mikroobjekt, in einem Prozess bildgebend bestimmt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur lnterferometrie
Hintergrund
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 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 Figur 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
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine weitskalig anpassbare Interferometrie mit hoher Mess- und Abtastgenauigkeit und einer hohen Robustheit der Messung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einem Aspekt stellt die Erfindung somit ein Verfahren zur Interferometrie bereit, welches umfasst: Erzeugen eines elektromagnetischen Messsignals (im Folgenden auch als „Licht" bezeichnet);
Aufspalten bzw. Aufteilen des Messsignals in eine Abtaststrahlkomponente und eine Referenzstrahlkomponente (nach Art eines Zweistrahl-Interferometers);
Bestrahlen zumindest eines Objektpunkts mit zumindest einem Teil der Abtaststrahlkomponente;
Erzeugen eines Interferenzsignals durch Überlagern eines von dem zumindest einen Objektpunkt reflektierten Anteils der Abtaststrahlkomponente mit der Referenzstrahlkomponente, wobei der von dem zumindest einen Objektpunkt reflektierte Anteil der Abtaststrahlkomponente im Interferenzsignal einen von der Position des Objektpunktes abhängigen, insbesondere von null verschiedenen optischen Gangunterschied x_O relativ zur Referenzstrahlkomponente aufweist, wobei das Messsignal mit einem Frequenzkammspektrum mit gleichen Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal der einzelnen Frequenzkomponenten erzeugt wird und/oder wobei das Interferenzsignal mittels eines Frequenzkamm-Filters derart konditioniert bzw. gefiltert wird, dass das gefilterte Interferenzsignal nur noch ein Frequenzkammspektrum mit gleichen Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal der einzelnen Frequenzkomponenten aufweist; und wobei das Verfahren außerdem umfasst: zeitliches Ändern der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal im Frequenzkammspektrum des Messsignals bzw. des gefilterten Interferenzsignals und/oder des optischen Gangunterschieds x_O derart, dass die Frequenzkamm- Abstände Δf_Signal zumindest zeitweise einem ganzzahligen Vielfachen des Quotienten c/x_O aus der Lichtgeschwindigkeit c und dem optischen Gangunterschied x_O entsprechen; und
Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals für eine Vielzahl von Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal und/oder für eine Vielzahl von optischen Gangunterschieden x_O.
Durch das Erfassen von Werten der Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals für eine Vielzahl von Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal und/oder für eine Vielzahl von optischen Gangunterschieden x_O wird somit insbesondere ein Signalverlauf des Interferenzsignals in Abhängigkeit von den veränderten bzw. veränderlichen Frequenzkamm-Abständen bzw. in Abhängigkeit vom optischen Gangunterschied ermittelt.
Besonders bevorzugt wird somit ein elektromagnetisches Messsignal mit einem Frequenzkammspektrum derart erzeugt, dass die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal des Messsignals (im Folgenden auch als Δf_Quelle bezeichnet) in einem Modulationsintervall [Δf_Signal_min;Δf_Signal_max] (im Folgenden auch als [Δf_Quelle_min;Δf_Quelle_max] bezeichnet) der Frequenzkamm-Abstände zeitlich verändert werden. Diese zeitliche Änderung kann auf verschiedene Weise erfolgen, wie nachfolgend noch an einigen Beispielen gezeigt wird. Als Frequenzkammspektrum wird in herkömmlicher Weise ein Spektrum bezeichnet, welches sich über der Frequenz dargestellt aus einer Vielzahl äquidistanter Frequenzkomponenten zusammensetzt, wobei die Abstände zwischen benachbarten Frequenzkomponenten im Frequenzraum als die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal gezeichnet werden. Dabei müssen nicht notwendigerweise alle Frequenzkomponenten mit derselben Intensität auftreten. Vorzugsweise ist die Intensität der diskreten Frequenzkomponenten zueinander gemäß oder ähnlich einer Gauß-Kurve verteilt, wobei die Intensitäten der Frequenzkomponenten ausgehend von einer Zentralfrequenz zu höheren und niedrigeren Frequenzen hin abfallen.
Insbesondere wurde in einem Aspekt der Erfindung erkannt, dass bei einem gegenseitigen Verstimmen eines Frequenzkammspektrums im Signalweg (z.B. im Messsingal und/oder im Interferenzsignal) und des optischen Gangunterschieds x_O der beiden Strahlwege im Zweistrahl-Interferometer eine leicht zu detektierende Modulation einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals erreicht werden kann. Insbesondere ergibt sich beim Verändern bzw. Scannen der Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle relativ zur optischen Gangunterschied x_O dann eine Resonanz im Interferenzsignal, wenn die Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle einem Frequenzkamm-Resonanzabstand Δf_Quelle_Res entsprechen, welcher einem ganzzahligen Vielfachen des Frequenzabstands Δf_Objekt = c/x_O aus dem Quotienten zwischen der Lichtgeschwindigkeit c und dem optischen Gangunterschied x_O, also Δf_Quelle = n • c/x_O mit n = 1 , 2, 3 entspricht. Im
Sinne der Erfindung ist auch die Übereinstimmung zwischen den Frequenzkamm- Abständen Δf_Quelle und dem Frequenzabstand Δf_Objekt = c/x_O aus dem Quotienten zwischen der Lichtgeschwindigkeit c und dem optischen Gangunterschied x_O, also Δf_Quelle = c/x_O, als ganzzahliges Vielfaches (mit n = 1) zu verstehen.
Im Bereich einer Resonanz, also um diese Resonanzbedingung herum, insbesondere innerhalb des Modulationsintervalls ([Δf_Quelle_min < Δf_Quelle_Res ; Δf_Quelle_max > Δf_Quelle_Res]) der Frequenzkamm-Abstände, wird eine besonders starke Modulation der Intensität des Interferenzsignals bei Veränderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Quelle relativ zum optischen Gangunterschied x_O beobachtet. Diese Modulation kann sehr einfach und mit hoher Genauigkeit mittels eines einfachen Detektorelements erfasst werden. Dazu wird die Intensität bzw. Intensitätsänderung vorzugsweise für eine Vielzahl von Frequenzkamm-Abständen Δf_Quelle innerhalb des Modulationsintervalls um den zumindest einen Frequenzkamm-Resonanzabstand Δf_Quelle_Res herum erfasst. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Intensität bzw. Intensitätsänderung vorzugsweise für eine Vielzahl verschiedener optischer Gangunterschiede x_O um zumindest eine Resonanzbedingung herum erfasst.
Vorzugsweise wird aus den erfassten Werten des Interferenzsignals, insbesondere der Intensität und/oder Intensitätsänderung, ein Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod ermittelt, insbesondere als Frequenzkamm-Abstand bei der maximalen Modulation des erfassten Signalverlaufs des Interferenzsignals und/oder als Frequenzkamm-Abstand beim Signalmaximum im erfassten Signalverlauf des Interferenzsignals und/oder als Frequenzkamm-Abstands im Signalschwerpunkt des erfassten Signalverlaufs des Interferenzsignals. Vorzugsweise wird der ermittelte Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod gespeichert und/oder ausgewertet. Vorzugsweise entspricht der so ermittelte Frequenzkamm- Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod in guter Näherung dem Freuqenzkamm- Resonanzabstand Δf_Quelle_Res. Daher lassen sich aus dem ermittelten Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod vorzugsweise Informationen über den zugrundeliegenden optischen Gangunterschied x_O, und damit eine absolute und/oder relative Position des zumindest einen Objektpunktes ermitteln.
Insbesondere ist in einem Interferometrieverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung keine aufwendige Detektion mittels eines Spektrometers erforderlich. Vielmehr wird vorzugsweise ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integrierendes Detektorelement verwendet. Dieses ist insbesondere einfacher und günstiger bereitzustellen als hochauflösende Spektrometer, andererseits erreicht es eine besonders hohe Sensitivität. Durch den möglichen Verzicht auf die Verwendung aufwendiger, empfindlicher und hochauflösender Spektrometer für die Detektion erreicht die Erfindung eine besonders einfache und störungsunempfindliche Interferometrie mit besonders hohem Auflösungsvermögen, insbesondere für ortsaufgelöste Messungen bzw. Vermessungen bzw. Abbildungen von Objekten bzw. deren Position in verschiedenen Größen.
Das erfindungsgemäße Prinzip ist dabei nicht auf einen speziellen Spektralbereich des elektromagnetischen Messsignals bzw. einer elektromagnetischen Strahlung (im Folgenden ohne Einschränkung auch „Licht") und/oder eine spezielle Größenordnung der zu untersuchenden Objekte beschränkt. Vielmehr lässt sich die Erfindung in allen derzeit und zukünftig verfügbaren Spektralbereichen sowie auf verschiedene Größenordnungen und/oder Abstände der zu untersuchenden Objekte anwenden. Das Auflösungsvermögen wird dabei vorzugsweise lediglich durch Beugungseffekte der verwendeten elektromagnetischen Strahlung begrenzt, d.h. es hängt von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung ab. Eine kürzere Wellenlänge erlaubt somit vorzugsweise eine höhere räumliche Auflösung.
Vorzugsweise wird als optisches Detektorelement ein Ausschnitt, insbesondere ein Pixel bzw. eine Zelle, eines ortsauflösenden Detektors, insbesondere eines Detektorfeldes bzw. Detektor-Arrays, mit einer Vielzahl von optischen Detektorelementen verwendet. Vor allem durch den möglichen Verzicht auf den Einsatz eines hochauflösenden Spektrometers (z.B. eines diffraktiven Gitterspektrometers) kann durch die Verwendung eines Detektor-Arrays (auch als gerasterter Detektor bezeichnet), wie z.B. einer CCD-Kamera und/oder CMOS- Kamera, in effizienter Weise gleichzeitig eine räumlich zwei-dimensionales Bild erzeugt werden. Eine spektrale Auflösung ist hierbei nicht erforderlich bzw. bereits durch die Überlagerung des Resonanzverhaltens des Zweistrahlinterferomerters und mit dem Frequenzkammspektrum vorweggenommen. Vorzugweise wird somit ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integrierender, gerasterter Detektor verwendet.
Vorzugsweise umfasst das Erzeugen des elektromagnetischen Messsignals: ein Erzeugen eines elektromagnetischen Ausgangssignals mit einem kontinuierlichen Spektrum; und ein Konditionieren bzw. Filtern des Ausgangssignals mittels eines verstimmbaren Vielstrahl-Interferometers zur Erzeugung des elektromagnetischen Messsignals mit einem Frequenzkammspektrum derart, dass die Frequenzkamm- Abstände Δf_Signal des Messsignals in einem Modulationsintervall ([Δf_Signal_min;Δf_Signal_max]) der Frequenzkamm-Abstände zeitlich verändert werden.
Dabei wird als Vielstrahl-Interferometer vorzugsweise ein Fabry-Perot-Interferometer verwendet. Zur Erzeugung des Ausgangssignals mit im Wesentlichen kontinuierlichem Spektrum wird beispielsweise eine Superlumineszenzdiode verwendet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das elektromagnetische Messsignal mittels eines durchstimmbaren Frequenzkamm- Lasers erzeugt.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Ermitteln eines Frequenzkamm- Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod aus den erfassten Werten der Intensität und/oder Intensitätsänderungen des Interferenzsignals (also mit Hilfe bzw. unter Zuhilfenahme der erfassten Werte der Intensität und/oder Intensitätsänderungen des Interferenzsignals), wobei der Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod insbesondere als Frequenzkamm-Abstand Δf_Signal bei der maximalen Modulation des erfassten Signalverlaufs des Interferenzsignals; und/oder als Frequenzkamm-Abstand Δf_Signal beim Signalmaximum im erfassten Signalverlauf des Interferenzsignals und/oder; als Frequenzkamm-Abstand Δf_Signal im Signalschwerpunkt des erfassten Signalverlaufs des Interferenzsignals ermittelt wird. Es werden also insbesondere der Frequenzkamm-Abstand Δf_Signal in vorgegebener Weise zeitlich verändert, während die Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals bei einer Vielzahl von Werten des Frequenzkamm-Abstands Δf__Signal gemessen bzw. erfasst wird bzw. werden. Als Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod wird daraus vorzugsweise derjenige Wert des vorgegebenen und veränderten Frequenzkamm-Abstands Δf_Signal ermittelt, bei dem das Maximum der Modulation des erfassten Signalverlaufs des Interferenzsignals und/oder das Signalmaximum im erfassten Signalverlauf des Interferenzsignals und/oder der Signalschwerpunkt des erfassten Signalverlaufs des Interferenzsignals auftritt. Als Signalschwerpunkt wird vorzugsweise der Mittelwert des mit dem Betrags der erfassten Werte der Intensität und/oder Intensitätsänderungen des Interferenzsignals gewichteten Frequenzkamm- Abstands Δf_Signal angesehen.
Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren ein Ermitteln eines Wertes des optischen Gangunterschieds x_O aus dem Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod gemäß x_O = c/Δf_Quelle_Mod mit der Lichtgeschwindigkeit c.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren: einen ersten Scanvorgang (im Folgenden gelegentlich auch Lang-Scan genannt) derart, dass dabei die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal kontinuierlich geändert werden; und einen während des ersten Scanvorangs wiederholt (insbesondere periodisch) ausgeführten zweiten Scanvorgang (im Folgenden gelegentlich auch Kurz-Scan bezeichnet) derart, dass dabei der optische Gangunterschied x_O derart kontinuierlich verändert wird, dass die dadurch bewirkte kontinuierliche Änderung des Quotienten c/x O dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der im ersten Scanvorgang bewirkten kontinuierlichen Änderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal entspricht, wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt. Vorzugsweise erfolgt das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals in einem Zeitraum des wiederholt durchgeführten zweiten Scanvorgangs, in dem die Änderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal dem Vorzeichen nach der Änderung des Quotienten c/x_O entspricht. Dadurch wird in effizienter Weise während des Erstellens einer Aufnahme mit dem Detektorelement eine Verringerung der Phasenwinkelgeschwindigkeit im Interferenzbild bewirkt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren: einen ersten Scanvorgang (im Folgenden gelegentlich auch Lang-Scan genannt) derart, dass dabei der optische Gangunterschied x_O kontinuierlich verändert wird; und einen während des ersten Scanvorangs wiederholt (insbesondere periodisch) ausgeführten zweiten Scanvorgang (im Folgenden gelegentlich auch Kurz-Scan bezeichnet) derart, dass dabei die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal derart kontinuierlich geändert werden, dass die Änderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der durch den ersten Scanvorgang bewirkten kontinuierlichen Änderung des Quotienten c/x_O entspricht, wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt. Vorzugsweise erfolgt das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals in einem Zeitraum des wiederholt durchgeführten zweiten Scanvorgangs, in dem die Änderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal dem Vorzeichen nach der Änderung des Quotienten c/x_O entspricht. Dadurch wird in effizienter Weise während des Erstellens einer Aufnahme mit dem Detektorelement eine Verringerung der Phasenwinkelgeschwindigkeit im Interferenzbild bewirkt. Vorzugsweise erfolgt das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung während einer Detektorintegrationszeitdauer ΔtD, während der sich die Phase im Interferenzsignal um nicht mehr als 180 Altgrad im Betrag ändert.
Vorzugsweise weist der zweite Scanvorgang einen Sägezahnverlauf des optischen Gangunterschieds x_O bzw. des Kehrwerts 1/Δf_Signal der Frequenzkamm- Abstände Δf_Signal über der Zeit auf, wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals während der langen Flanke des Sägezahnverlaufs erfolgt.
In einer anderen bevorzugten Ausfϋhrungsform erfolgt der zweite Scanvorgang in Form einer harmonischen Schwingung des optischen Gangunterschieds x_O bzw. des Kehrwerts 1/Δf_Signal der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal über der Zeit, wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals in einem Zeitraum erfolgt, der den Durchlauf der harmonischen Schwingung durch denjenigen Punkt bzw. Wendepunkt der Bewegung im Ortsraum (also insbesondere denjenigen Punkt mit maximalem Geschwindigkeitsbetrag) enthält, in dem die Änderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal dem Vorzeichen nach der Änderung des Quotienten c/x_O entspricht. Dies entspricht vorzugsweise dem Maximalpunkt der Intensität oder Modulation im Interferenzsignal.
Außerdem stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Interferometrie bereit, welche umfasst: eine Messsignalquelle zum Erzeugen eines elektromagnetischen Messsignals; eine Interferometeranordnung, welche ausgelegt ist, das Messignal, insbesondere mittels eines Strahlteilerelements der Interferometeranordnung, in eine Abtaststrahlkomponente und eine Referenzstrahlkompoente aufzuspalten bzw. aufzuteilen; zumindest einen Objektpunkt mit zumindest einem Teil des Abtaststrahlkomponete, insbesondere mittels eines Objektivs der Interferometeranordnung, zu bestrahlen; und ein Interferenzsignal durch Überlagern eines von dem zumindest einen Objektpunkt reflektierten Anteils der Abtaststrahlkomponente mit der Referenzstrahlkomponente zu erzeugen, wobei der von dem zumindest einen Objektpunkt reflektierte Anteil der Abtaststrahlkomponente im Interferenzsignal einen von der Position des Objektpunktes abhängigen optischen Gangunterschied x_O relativ zur Referenzstrahlkomponente aufweist; wobei die Messsignalquelle ausgelegt ist das Messsignal mit einem Frequenzkammspektrum mit gleichen Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal der einzelnen Frequenzkomponenten zu erzeugen und/oder wobei die Vorrichtung außerdem einen Frequenzkamm-Filter umfasst der ausgelegt ist, das Interferenzsignal derart zu filtern, dass das gefilterte Interferenzsignal nur noch ein Frequenzkammspektrum mit gleichen Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal der einzelnen Frequenzkomponenten aufweist; und wobei die Vorrichtung außerdem umfasst: eine Steuereinrichtung zum zeitlichen Ändern der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal im Frequenzkammspektrum des Messsignals bzw. des gefilterten Interferenzsignals und/oder des optischen Gangunterschieds x_O derart, dass die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal zumindest zeitweise einem ganzzahligen Vielfachen des Quotienten c/x_O aus der Lichtgeschwindigkeit c und dem optischen Gangunterschied x_O entsprechen; und zumindest ein Detektorelement zum Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals für eine Vielzahl von Frequenzkamm- Abständen Δf_Signal und/oder für eine Vielzahl von optischen Gangunterschieden x_O.
Vorzugsweise umfasst die Interferometeranordnung ein Fizeau-Interferometer und/oder ein Michelson-Interferometer und/oder ein Twyman-Greenlnterferometer und/oder ein Mirau-Interferometer und/oder ein Linnik-Interferometer und/oder ein Mach-Zehnder-Interferometer. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messsignalquelle einen verstimmbaren Frequenzkammlaser. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messsignalquelle: eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines elektromagnetischen Ausgangssignals mit einem kontinuierlichen Spektrum; und ein Frequenzkammfilter, insbesondere ein verstimmbares Vielstrahl- Interferometer, wie z.B. ein Fabry-Perot-Interferometer, mit einer einstellbaren bzw. veränderbaren Verzögerungslänge Y, zum Filtern des Ausgangssignals zur Erzeugung des elektromagnetischen Messsignals mit einem Frequenzkammspektrum derart, dass die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal des Messsignals in einem Modulationsintervall ([Δf_Signal_min;Δf_Signal_max]) der Frequenzkamm-Abstände zeitlich veränderbar sind.
Vorzugsweise umfasst die Messsignalquelle eine erste Signal-Scan-Einrichtung zum Durchführen eines ersten Scanvorgangs bzw. Signal-Scanvorgangs (im Folgenden gelegentlich auch Lang-Scan genannt) derart, dass dabei eine optische Verzögerungslänge bzw. Weglänge Y des Signalweges in der Messsignalquelle kontinuierlich verändert wird, und eine zweite Signal-Scan-Einrichtung zum Durchführen eines während des ersten Signal-Scanvorangs wiederholt (insbesondere periodisch) ausgeführten zweiten Scanvorgangs bzw. Signal- Scanvorgangs (im Folgenden gelegentlich auch Kurz-Scan bezeichnet) derart, dass dabei die optische Verzögerungslänge bzw. Weglänge Y des Signalweges in der Messsignalquelle derart kontinuierlich verändert wird, dass die Änderung der optischen Verzögerungslänge durch den zweiten Signal-Scanvorgang dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der Änderung der optischen Verzögerungslänge durch den ersten Signal-Scanvorgang entgegengesetzt ist.
Das Verfahren zur Interferometrie umfasst somit vorzugsweise einen entsprechenden ersten bzw. zweiten Signal-Scanvorgang. Vorzugsweise erfolgt dabei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Signal-Scanvorgangs. Vorzugsweise erfolgt das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals in einem Zeitraum des wiederholt durchgeführten zweiten Signal- Scanvorgangs, in dem die Änderung der optischen Verzögerungslänge durch den zweiten Signal-Scanvorgang dem Vorzeichen nach der Änderung der optischen Verzögerungslänge durch den ersten Signal-Scanvorgang entgegengesetzt ist. Dadurch wird in effizienter Weise während des Erstellens einer Aufnahme mit dem Detektorelement eine Verringerung der Phasenwinkelgeschwindigkeit im Interferenzbild bewirkt. Die erste und zweite Signal-Scan-Einrichtung bilden dabei vorzugsweise zwei räumlich getrennte Scanner (einer für den Lang- und einer für den Kurz-Scan) in der Messsignalquelle. Durch deren vorbestimmtes, synchronisiertes Zusammenwirken bildet sich für die Frequenzabstände über der Zeit vorzugsweise zumindest näherungsweise eine Treppenfunktion heraus. Somit ändert sich die Phasenwinkelgeschwindigkeit vorzugsweise in regelmäßigen Zeitabständen nicht oder nur so wenig, dass ein Interferenzbild durch einen gerasterten Detektor dann jeweils mit besonders guter Auflösung aufnehmbar ist. Dies ist vor Allem für miniaturisierte Messsysteme mit kleiner numerischer Apertur besonders vorteilhaft, da dann vorzugsweise kein mechanischer Scanvorgang am Sensor durchgeführt werden muss.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Lichtwellenleiter zur Übertragung des Messsignals von der Messsignalquelle zur Interferometeranordnung.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung ausgelegt, einen ersten und einen zweiten Scanvorgang derart synchron zu steuern, dass im ersten Scanvorgang die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal kontinuierlich geändert werden; und in dem während des ersten Scanvorangs wiederholt ausgeführten zweiten Scanvorgang der optische Gangunterschied x_O derart kontinuierlich verändert wird, dass die dadurch bewirkte kontinuierliche Änderung des Quotienten c/x_O dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der im ersten Scanvorgang bewirkten kontinuierlichen Änderung die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal entspricht, und wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist das zumindest eine Detektorelement derart zu steuern, dass das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Steuereinrichtung ausgelegt, einen ersten und einen zweiten Scanvorgang derart synchron zu steuern, dass im ersten Scanvorgang der optische Gangunterschied x_O kontinuierlich verändert wird; und in dem während des ersten Scanvorangs wiederholt ausgeführten zweiten Scanvorgang die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal derart kontinuierlich geändert werden, dass die Änderung die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der durch den ersten Scanvorgang bewirkten kontinuierlichen Änderung des Quotienten c/x_O entspricht, und wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist das zumindest eine Detektorelement derart zu steuern, dass das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt.
Damit erreicht die Erfindung insbesondere 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 wird insbesondere erreicht, dass beim optischen Antasten der Objektoberfläche in verschiedenen Tiefen des Objektraumes oder Objektabständen elektromagnetische (optische) Signale aus diesen Tiefen, beispielsweise auch bei Objektabständen in der Größenordnung von einem Meter, in besonders geeigneter, vor allem besonders gut auswertbarer Signalform für ein flächenhaftes Messfeld oder wenigstens für ein linienhaftes Messfeld bereigeustellt werden. Es können dabei vorzugsweise viele lateral benachbarte Objektelemente oder Objektpunkte gleichzeitig angemessen werden. Insbesondere wird somit erreicht, gut auswertbare elektromagnetische (optische) Signale bei der elektromagnetischen (optischen) Antastung von Objekten durch das erfindungsgemäße Verfahren mittels einer das Objekt vorzugsweise flächenhaft und/oder linienhaft detektierenden Kamera schnell bereitzustellen. Die gewonnenen elektromagnetischen (optischen) Signale führen insbesondere zu vergleichsweise gut, insbesondere eindeutig auswertbaren Messergebnissen. Dabei kann insbesondere auf den Einsatz eines Spektrometers oder mehrerer Spektrometer im interferometrischen Messsystem verzichtet werden. Vorzugsweise sind Farbkameras jedoch als Detektoren einsetzbar.
Hier wird der Begriff Licht stets als Synonym für elektromagnetische Strahlung, insbesondere vom Terahertz-, über den Infrarot- bis zum tiefen UV-Bereich, verwendet.
Darüber hinaus werden 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. Der Einsatz von spektral schmalbandigen Lichtquellen bringt erhebliche technische und wirtschaftliche Vorteile bei der Realisierung eines optischen Messsystems, da dadurch die chromatischen Einflüsse und Aberrationen der eingesetzten optischen Komponenten eine eher kleinere Rolle spielen.
Ein weiterer Vorteil 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 ist vorzugsweise auch in einem Messvolumen von beispielsweise 20 μm x 20 μm x 20 μm bis zu einem Kubikmeter möglich. 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 vorzugsweise 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 wird bei Einsatz geeigneter Komponenten auch eine Subnanometerauflösung erreicht. Damit besteht eine weite Skalierbarkeit der Messmethode insbesondere hinsichtlich der Messauflösung in der Tiefe. Vorzugsweise weist ein Sensor vergleichbar kleine Abmessungen auf.
Einsatzgebiete der erfinderischen Lösung sind insbesondere: 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.
Ein weiteres bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung ist 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 bevorzugtes 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 ist insbesondere auch für geometrische Messungen in der Augenheilkunde einsetzbar. Der Einsatz bei endoskopische 3D-Systemen führt zu gut miniaturisierbaren Sensor-Lösungen hoher Messgenauigkeit.
Die Erfindung ist insbesondere 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 einsetzbar. Hierbei können Zellen oder Zellbestandteile lateral hochaufgelöst, also auch bildhaft, hinsichtlich der Verteilung und Variation ihrer optischen Dicken gemessen werden. Darüber hinaus können auch lebende Zellen oder Bestandteile lebender Zellen hinsichtlich der optischen Dickverteilungen oder deren Veränderungen in einem Prozess bildhaft im Durchlicht oder Auflicht erfasst werden.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung zur Interferometrie, insbesondere zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Abtastvorgang können vorzugsweise auch Daten aus einem optischen Volumenspeicher, beispielsweise in Form eines optischen Mehrlagenspeichers, ausgelesen werden, so dass das Verfahren vorzugsweise auch zur schnellen Auslesung optischer Daten aus optischen Volumenspeichern einsetzbar ist.
Eine besonders vorteilhafte Motivation für die Anwendung der Erfindung in verschiedenden Applikationen ist die Nutzbarmachung des „interferometrie 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 „Interferometrie Gain" profitieren. So können mittels Interferometrie auch Objektelemente geringster Reflektivität messtechnisch noch vergleichsweise gut in der Tiefe erfasst werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bzw. Anordnung bereit 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 Vorrichtung bzw. Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Abtastvorgang können vorzugsweise auch Daten aus einem optischen Volumenspeicher, beispielsweise in Form eines optischen Mehrlagenspeichers, ausgelesen werden, so dass das Verfahren insbesondere 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 ein bevorzugtes Verfahren beschrieben. Dabei werden im Verfahren insbesondere die folgenden Mittel eingesetzt:
entweder ein konfokales, objektabbildendes Interferometer mit zumindest angenäherter Zweistrahl-Charakteristik
und/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 vorzugsweise an jedem optisch erfassten Objektelement einen von null verschiedenen optischen Gangunterschied x_O auf. Dieser soll vorzugsweise mindestens zwei Mikrometer betragen. Der optische Gangunterschied kann typischerweise jedoch auch wesentlich größer sein - im Extremfall bis zum Bereich von mehreren Millimetern oder bis zu mehreren Metern. 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 vorzugsweise mindestens, ein zumindest in spektralen Teilbereichen, spektral integral detektierender, gerasterter Detektor, also beispielsweise mit sehr vielen mit Pixeln, für diese elektromagnetische Strahlung angeordnet. Insbesondere 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.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle als eine Frequenzkamm-Lichtquelle im optischen System ausgebildet. Der Frequenzkamm überdeckt dabei vorzugsweise 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 vorzugsweise entweder die Lichtquelle zum einen durch eine spektrale Kontinuums-Lichtquelle oder zumindest durch eine Quasi-Kontinuums-Lichtquelle dargestellt und dieser Lichtquelle ist vorzugsweise 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 zugehörige Größe der Frequenzabstände wird als Wert „Δf Quelle_Mod" (hier zum Teil auch als Frequenzkamm-Modulationsabstand bezeichnet) direkt aus der Frequenzkamm-Lichtquelle ermittelt oder aus den Parametern der Frequenzkamm- Lichtquelle, wie der Verzögerungslänge Y=2L, errechnet und gespeichert.
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 ΔfJDbjekt 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_Quelle_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-, Abstandsoder 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.
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_Objekt auftritt, was dem Fall x_O = Y_Mod entspricht. 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 dann 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-MikroResonator, 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 vorzugsweise 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 vorzugsweise 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.
Vorzugsweise 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. Vorzugsweise 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_lnt 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_lnt - eine Verringerung der Phasenwinkelgeschwindigkeit im mittels gerasterten Detektors aufzunehmenden Interferenzbild, einschließlich einer Phasenwinkelgeschwindigkeit mit dem Betrag null, indem in der Zeitdauer Δt_kurz_lnt 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_lnt -λ_S)] - [2π-Δx_O / (Δt_kurz_lnt -λ_S)]
mit n als der ganzzahligen Ordnungszahl, mit ΔY / Δt_kurz_lnt als Veränderung Δy der Verzögerungslänge Y in der Zeitdauer Δt_kurz_lnt im Kurz-Scan, also einer Geschwindigkeit, und λ_S als der Schwerpunktwellenlänge und Δx_O / Δt_kurz_lnt als der Veränderung Δx_O des optischen Gangunterschiedes x_O in der Zeitdauer Δt_kurz_lnt. Die Phasenwinkelgeschwindigkeit dφ/dt wird null, wenn die Beträge und das Vorzeichen von nΔY und Δx_O in der Zeitdauer Δt_kurz_lnt jeweils gleich sind.
Das setzt voraus, dass für n=1 in der Zeitdauer Δt_kurz_lnt, 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_lnt 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 chromatisch- 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 Messvorrichtung bzw. -anordnung, da so der Objektarm frei von Bewegungsmitteln bleiben kann. Bei einer Vorrichtung bzw. Anordnung mit der Forderung nach einem vergleichsweise großen Tiefenmessbereich können vorzugsweise 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_lnt wird vorzugsweise mindestens ein Interferenzbild mittels gerastertem Detektor mit der Detektorintegrationszeit tD aufgenommen, wobei sich vorzugsweise 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_lnt 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_lnt 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 vorzugsweise 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_lnt 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 Interferometem, insbesondere Zweistrahl-Interferometem, 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. Bei einer bevorzugten Vorrichtung bzw. 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
sowie 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 vorzugsweise von null verschiedenen optischen Gangunterschied auf. Dieser soll vorzugsweise mindestens zwei Mikrometer betragen. Der optische Gangunterschied kann im Interferometer typischerweise jedoch auch wesentlich größer sein - im Extremfall bis zum Bereich von mehreren Millimetern bis zu mehreren Metern. 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.
Vorzugsweise 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-Interfero- meters 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.
Bei einer weiteren bevorzugten Vorrichtung bzw. 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 vorzugsweise 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 vorzugsweise 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.
Vorzugsweise 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-Lichtgeschwindigkeit und x_O gleich dem optischen Gangunterschied in einem Objektelement - vorzugsweise 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 Vorrichtung bzw. Anordnung zur skalierbaren konfokalen Interferometrie das Vielstrahl-Interferometer oder der Frequenzkamm-Laser vorzugsweise mit Lichtwellenleitern aufgebaut.
Weiterhin weist bei der Vorrichtung bzw. 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.
Hierbei handelt sich um ein bevorzugtes 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 bevorzugten 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 ein bevorzugtes Verfahren zur skalierbaren Interferometrie im Durchlicht oder Auflicht in einem scannenden Messvorgang beschrieben.
Dabei werden im Verfahren vorzugsweeise 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 Metern. 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 interferometrischen Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung 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 Δtjangjnt stattfindet.
Vorzugsweise 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
Vorzugsweise 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 Δtjangjnt des Interferometer-Lang-Scans werden mindestens drei Kurz-Scan Scan der Frequenzkamm-Lichtquelle durchgeführt. Dabei ist die Zeitdauer Δtjangjnt also mindestens dreimal so lang wie die Zeitdauer Δtjαirzjc. 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.
Vorzugsweise 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 Δtjangjnt des Lang-Scans gemacht werden. Diese Kurz-Scans bewirken vorzugsweise - 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)] - [2ττ-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_lnt 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 vorzugsweise beim vorbestimmten Verändern des Gangunterschiedes x_O im objektabbildenden Interferometer im scannenden Messvorgang dabei in der Zeitdauer Δtjangjnt 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 -Y
mit 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 = Y
realisiert 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 Δtjangjnt 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 zugehörige Größe der Frequenzabstände wird als Wert „Δf Objekt_Mod" aus den Parametern des objektabbildenden Interferometers, vorzugsweise der Tiefenposition des objektabbildenden Interferometers, errechnet und gespeichert.
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 ausgewertet 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 Δtjangjnt eine Durchfokussierung im Objektraum erfolgt, und zumindest zu einem Zeitpunkt in der Zeitdauer Δtjangjnt 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 bevorzugten 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.
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 in den Figuren 1 bis 26 dargestellten bevorzugten Ausführungsformen 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 Figur 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 1 a 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- lnterferometer 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, schmalbandigen 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 Zonenlinse 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 O_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 Figur 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 vernächlässigbaren 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 1 a weist hierbei ein Spektrum mit gaußförmiger Einhüllender mit dem Wellenlängenbereich von 720 nm bis 920 nm auf.
Die Figur 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. Hierbei handelt es sich insbesondere um ein theoretisch zu erwartendes Wellenpaket (Wavelet), welches sich aus einer Interferenz einer an der Strahlteilerschicht 17 und einer am Objekt 19 reflektierten Komponente eines einfallenden Lichts mit kontinuierlichem Gaussförmigem Spektrum ergeben würde. Dieses Objekt-Wavelet könnte gegebenenfalls sogar in einem optischen System gemäß Figur 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. Da in der tatsächlichen Messung das auf die Strahlteilerschicht 17 einfallende Licht kein kontinuierliches Spektrum, sondern ein Frequenzkamm-Spektrum aufweist, entsteht auch nicht direkt das in Figur 3 dargestellte Wellenpaket. Allerdings veranschaulicht dieses Wellenpaket die Interferenzbedingung im verwendeten Zweistrahl-Interferometer.
Die Figur 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 Figur 5 dargestellt. Dabei ist in Figur 4 und Figur 5 jeweils insbesondere die Transmission des Fabry-Perot-Interferometers 6 dargestellt. Es handelt sich somit nicht direkt um das Spektrum des in der Ausführungsform von Figur 1 am Fabry- Perot-Interferometers 6 austretenden Lichts, welches beispielsweise aufgrund einer endlichen spektralen Breite der verwendeten Lichtquelle ebenfalls nur eine endliche spektrale Breite aufweist.
Die Figuren 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 Figur 1. Beim Auftreten dieses Falles entsteht eine Signalmodulation im Signalverlauf über dem Spiegelabstand L im Fabry-Perot- Interferometer 6.
Dieser Signalverlauf ist in Figur 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 Figur 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 Figur 2 dargestellt.
Die Figuren 10 bis 13 stellen die möglichen Signalverläufe für die Ordnungen n mit n=1 , 2, 3, 4 detailliert dar, wobei der Signalverlauf in Figur 10 dem Signalverlauf in Figur 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 Δ L 3-4, dargestellt in der Figur 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 Figur 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 1 b mit einer Verzögerungslänge von Y. Die Verzögerungslänge Y wird im Resonator des Frequenzkamm-Lasers 1 b 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 Fokussie roptik 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 Figur 15 ist das auf dem Pixel 23a der CCD-Kamera 23 beim Y-Scan des durchstimmbaren Frequenzkamm-Lasers 1 b 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 Figur 16 zeigt eine Vorrichtung bzw. Anordnung, die vor Allem für die mikroskopische oder mesoskopische Applikation geeignet ist, mit einem durchstimmbaren Frequenzkamm-Laser 1 b mit einer Verzögerungslänge mit einem mittleren Wert von Y, veränderbar im Resonator um +/- ΔY. Der durchstimmbare Frequenzkamm-Laser 1 b wird in einem Lang-Scan durchgestimmt. Der Verlauf über der Zeit ist in Figur 17 dargestellt. Das Licht dieses Frequenzkamm-Lasers 1 b in Figur 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_lnt zum Lang-Scan des Frequenzkamm-Lasers 1 b und zur Auslesung der CCD-Kamera 23 synchronisiert sind, so dass sich in der Zeitdauer des Kurz-Scans Δt_kurz_lnt sowohl die Verzögerungslänge Y des Frequenzkamm- Lasers 1 b als auch der optische Gangunterschied x_O im Fizeau-Interferometer jeweils um den gleichen Betrag vergrößern. Der zeitliche Zusammenhang ist in der Figur 18 dargestellt. Die Synchronisation, Steuerung und elektrischer Antrieb von Frequenzkamm-Laser 1 b, 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_lnt ist somit zumindest näherungsweise null und in dieser Zeitdauer Δt_kurz_lnt 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-Scans 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 Figur 19, welches deshalb mit einer vergleichsweise geringen Anzahl von Bildern der CCD-Kamera 23 abgetastet werden kann. Die in den Figuren 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 Figur 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 1 b wird harmonisch oszillierend mit einer Frequenz von 100 Hertz durchgestimmt, wobei die Amplitude der Schwingung hierbei ΔY= 0,261 μm beträgt. Der zeitliche Zusammenhang ist in Figur 21 dargestellt. Diese Schwingung stellt einen Kurz-Scan dar. Das Licht des Frequenzkamm-Lasers 1 b 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 Figur 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 1 b beträgt etwa 200 nm. Das objektabbildende Zweistrahl-Interferometer in Figur 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 1 b 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 = 2,1*820 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 Figur 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 1 b stattfinden.
Die Figur 24 stellt die Vergrößerung des optischen Gangunterschieds x_O über der Zeit eines Interferometer-Lang-Scans dar, wenn - wie in Figur 22 dargestellt - das Objekt 19 in Figur 20 in einem Lang-Scan mit konstanter Geschwindigkeit in die Tiefe bewegt wird. In Figur 23 ist durch die gepunktete Linie auch die Differenz des optischen Gangunterschieds x_O zur Verzögerungslänge Y des Frequenzkamm- Lasers 1 b 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 φjnterferenz 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 Figur 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 Figur 26.

Claims

Applicant: Universität Stuttgart"Verfahren und Vorrichtung zur Interferometrie"Our Ref.: S 9863WO - ds / hbPatentansprüche
1. Verfahren zur Interferometrie umfassend:
Erzeugen eines elektromagnetischen Messsignals;
Aufspalten des Messsignals in eine Abtaststrahlkomponente und eine Referenzstrahlkomponente;
Bestrahlen zumindest eines Objektpunkts mit zumindest einem Teil der Abtaststrahlkomponente;
Erzeugen eines Interferenzsignals durch Überlagern eines von dem zumindest einen Objektpunkt reflektierten Anteils der Abtaststrahlkomponente mit der Referenzstrahlkomponente, wobei der von dem zumindest einen Objektpunkt reflektierte Anteil der Abtaststrahlkomponente im Interferenzsignal einen von der Position des Objektpunktes abhängigen optischen Gangunterschied x_O relativ zur Referenzstrahlkomponente aufweist, wobei das Messsignal mit einem Frequenzkammspektrum mit gleichen Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal der einzelnen Frequenzkomponenten erzeugt wird und/oder wobei das Interferenzsignal mittels eines Frequenzkamm-Filters derart gefiltert wird, dass das gefilterte Interferenzsignal nur noch ein Frequenzkammspektrum mit gleichen Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal der einzelnen Frequenzkomponenten aufweist; und wobei das Verfahren außerdem umfasst: zeitliches Ändern der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal im Frequenzkammspektrum und/oder des optischen Gangunterschieds x_O derart, dass die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal zumindest zeitweise einem ganzzahligen Vielfachen des Quotienten c/x_O aus der Lichtgeschwindigkeit c und dem optischen Gangunterschied x_O entsprechen; und
Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals für eine Vielzahl von Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal und/oder für eine Vielzahl von optischen Gangunterschieden x_O.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als optisches Detektorelement ein Ausschnitt eines ortsauflösenden Detektors, insbesondere eines Detektorfeldes bzw. Detektor-Arrays, mit einer Vielzahl von optischen Detektorelementen verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erzeugen des elektromagnetischen Messsignals umfasst:
Erzeugen eines elektromagnetischen Ausgangssignals mit einem kontinuierlichen Spektrum; und
Filtern des Ausgangssignals mittels eines verstimmbaren Vielstrahl- Interferometers zur Erzeugung des elektromagnetischen Messsignals mit einem Frequenzkammspektrum derart, dass die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal des Messsignals in einem Modulationsintervall ([Δf_Signal_min;Δf_SigηaLmax]) der Frequenzkamm-Abstände zeitlich verändert werden.
4. Verfahren nach einem der vorangegangnen Ansprüche, außerdem umfassend ein Ermitteln eines Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod aus den erfassten Werten der Intensität und/oder Intensitätsänderungen des Interferenzsignals, wobei der Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod als Frequenzkamm-Abstand Δf_Signal bei der maximalen Modulation des erfassten Signalverlaufs des Interferenzsignals; und/oder als Frequenzkamm-Abstand Δf_Signal beim Signalmaximum im erfassten Signalverlauf des Interferenzsignals und/oder; als Frequenzkamm-Abstand Δf_Signal im Signalschwerpunkt des erfassten Signalverlaufs des Interferenzsignals ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, außerdem umfassend Ermitteln eines Wertes des optischen Gangunterschieds x_O aus dem Frequenzkamm-Modulationsabstand Δf_Quelle_Mod gemäß x_O = c/Δf_Quelle_Mod mit der Lichtgeschwindigkeit c.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welches umfasst: einen ersten Scanvorgang derart, dass dabei die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal kontinuierlich geändert werden; und einen während des ersten Scanvorangs wiederholt ausgeführten zweiten Scanvorgang derart, dass dabei der optische Gangunterschied x_O derart kontinuierlich verändert wird, dass die dadurch bewirkte kontinuierliche Änderung des Quotienten c/x_Q dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der im ersten Scanvorgang bewirkten kontinuierlichen Änderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal entspricht, wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches umfasst: einen ersten Scanvorgang derart, dass dabei der optische Gangunterschied x_O kontinuierlich verändert wird; und einen während des ersten Scanvorangs wiederholt ausgeführten zweiten Scanvorgang derart, dass dabei die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal derart kontinuierlich geändert werden, dass die Änderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der durch den ersten Scanvorgang bewirkten kontinuierlichen Änderung des Quotienten c/x_O entspricht, wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welches umfasst: einen ersten Scanvorgang, dass dabei eine optische Verzögerungslänge bzw. Weglänge Y des Signalweges in der Messsignalquelle kontinuierlich verändert wird; und einen während des ersten Scanvorangs wiederholt ausgeführten zweiten Scanvorgang derart, dass dabei die optische Verzögerungslänge bzw. Weglänge Y des Signalweges in der Messsignalquelle derart kontinuierlich verändert wird, dass die Änderung der optischen Verzögerungslänge durch den zweiten Scanvorgang dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der Änderung der optischen Verzögerungslänge durch den ersten Scanvorgang entgegengesetzt ist wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung während einer Detektorintegrationszeitdauer ΔtD erfolgt, während der sich die Phase im Interferenzsignal um nicht mehr als 180 Altgrad im Betrag ändert.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der zweite Scanvorgang einen Sägezahnverlauf des optischen Gangunterschieds x_O bzw. des Kehrwerts 1/Δf_Signal der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal bzw. der optischen Verzögerungslänge Y in der Messsignalquelle über der Zeit aufweist und wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals während der langen Flanke des Sägezahnverlaufs erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 8, wobei der zweite Scanvorgang in Form einer harmonischen Schwingung des optischen Ganguriterschieds x_O bzw. des Kehrwerts 1/Δf_Signal der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal über der Zeit erfolgt und wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals in einem Zeitraum erfolgt, der den Durchlauf der harmonischen Schwingung durch denjenigen Wendepunkt der räumlichen Schwingungsbewegung enthält, in dem die Änderung der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal dem Vorzeichen nach der Änderung des Quotienten c/x_O entspricht.
12. Verfahren nach einem der Anspruch 9, wobei der zweite Scanvorgang in Form einer harmonischen Schwingung der optischen Verzögerungslänge Y in der Messsignalquelle über der Zeit erfolgt und wobei das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals in einem Zeitraum erfolgt, der den Durchlauf der harmonischen Schwingung durch denjenigen Wendepunkt der räumlichen Schwingungsbewegung enthält, in dem die Änderung der optischen Verzögerungslänge Y durch den zweiten Scanvorgang dem Vorzeichen nach der Änderung der optischen Verzögerungslänge Y durch den ersten Scanvorgang entgegengesetzt ist.
13. Vorrichtung zur Interferometrie umfassend: eine Messsignalquelle zum Erzeugen eines elektromagnetischen Messsignals; eine Interferometeranordnung, welche ausgelegt ist, das Messsignal in eine Abtaststrahlkomponente und eine Referenzstrahlkompoente aufzuspalten; zumindest einen Objektpunkt mit zumindest einem Teil des Abtaststrahlkomponete zu bestrahlen; und ein Interferenzsignal durch Überlagern eines von dem zumindest einen Objektpunkt reflektierten Anteils der Abtaststrahlkomponente mit der Referenzstrahlkomponente zu erzeugen, wobei der von dem zumindest einen Objektpunkt reflektierte Anteil der Abtaststrahlkomponente im Interferenzsignal einen von der Position des Objektpunktes abhängigen optischen Gangunterschied x_O relativ zur Referenzstrahlkomponente aufweist; wobei die Messsignalquelle ausgelegt ist das Messsignal mit einem Frequenzkammspektrum mit gleichen Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal der einzelnen Frequenzkomponenten zu erzeugen und/oder wobei die Vorrichtung außerdem einen Frequenzkamm-Filter umfasst der ausgelegt ist, das Interferenzsignal derart zu filtern, dass das gefilterte Interferenzsignal nur noch ein Frequenzkammspektrum mit gleichen Frequenzkamm-Abständen Δf_Signal der einzelnen Frequenzkomponenten aufweist; und wobei die Vorrichtung außerdem umfasst: eine Steuereinrichtung zum zeitlichen Ändern der Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal im Frequenzkammspektrum und/oder des optischen Gangunterschieds x_O derart, dass die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal zumindest zeitweise einem ganzzahligen Vielfachen des Quotienten c/x_O aus der Lichtgeschwindigkeit c und dem optischen Gangunterschied x_O entsprechen; und zumindest ein Detektorelement zum Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals für eine Vielzahl von Frequenzkamm- Abständen Δf_Signal und/oder für eine Vielzahl von optischen Gangunterschieden x_O.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Interferometeranordnung ein Fizeau-Interferometer und/oder ein Michelson-Interferometer und/oder ein Twyman- Greenlnterferometer und/oder ein Mirau-Interferometer und/oder ein Linnik- Interferometer und/oder ein Mach-Zehnder-Interferometer umfasst.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Messsignalquelle einen verstimmbaren Frequenzkammlaser umfasst.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Messsignalquelle umfasst: eine Strahlungsquelle zum Erzeugen eines elektromagnetischen
Ausgangssignals mit einem kontinuierlichen Spektrum; und ein Frequenzkammfilter zum Filtern des Ausgangssignals zur Erzeugung des elektromagnetischen Messsignals mit einem Frequenzkammspektrum derart, dass die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal des Messsignals in einem Modulationsintervall ([Δf_Signal_min;Δf_Signal_max]) der Frequenzkamm-Abstände zeitlich veränderbar sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, umfassend einen Lichtwellenleiter zur Übertragung des Messsignals von der Messsignalquelle zur Interferometeranordnung.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist einen ersten und einen zweiten Scanvorgang derart synchron zu steuern, dass im ersten Scanvorgang die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal kontinuierlich geändert werden; und in dem während des ersten Scanvorangs wiederholt ausgeführten zweiten Scanvorgang der optische Gangunterschied x_O derart kontinuierlich verändert wird, dass die dadurch bewirkte kontinuierliche Änderung des Quotienten c/x_O dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der im ersten Scanvorgang bewirkten kontinuierlichen Änderung die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal entspricht, und wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist das zumindest eine Detektorelement derart zu steuern, dass das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist einen ersten und einen zweiten Scanvorgang derart synchron zu steuern, dass im ersten Scanvorgang der optische Gangunterschied x_O kontinuierlich verändert wird; und in dem während des ersten Scanvorangs wiederholt ausgeführten zweiten Scanvorgang die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal derart kontinuierlich geändert werden, dass die Änderung die Frequenzkamm-Abstände Δf_Signal dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der durch den ersten Scanvorgang bewirkten kontinuierlichen Änderung des Quotienten c/x_O entspricht, und wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist das zumindest eine Detektorelement derart zu steuern, dass das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Messsignalquelle umfasst: eine erste Signal-Scan-Einrichtung zum Durchführen eines ersten Scanvorgangs derart, dass dabei eine optische Verzögerungslänge bzw. Weglänge Y des Signalweges in der Messsignalquelle kontinuierlich verändert wird; und eine zweite Signal-Scan-Einrichtung zum Durchführen eines während des ersten Scanvorangs wiederholt ausgeführten zweiten Scanvorgangs derart, dass dabei die optische Verzögerungslänge bzw. Weglänge Y des Signalweges in der Messsignalquelle derart kontinuierlich verändert wird, dass die Änderung der optischen Verzögerungslänge durch den zweiten Signal-Scanvorgang dem Vorzeichen nach zumindest zeitweise der Änderung der optischen Verzögerungslänge durch den ersten Signal-Scanvorgang entgegengesetzt ist, und wobei die Steuereinrichtung ausgelegt ist das zumindest eine Detektorelement derart zu steuern, dass das Erfassen einer Intensität und/oder Intensitätsänderung des Interferenzsignals jeweils während des zweiten Scanvorgangs erfolgt.
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