DE10118760A1

DE10118760A1 - Verfahren zur Ermittlung der Laufzeitverteilung und Anordnung

Info

Publication number: DE10118760A1
Application number: DE10118760A
Authority: DE
Inventors: Peter Koch; Martin Wosnitza
Original assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Current assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH; Medizinisches Laserzentrum Luebeck GmbH
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2002-10-31
Also published as: US20040150829A1; DE50214068D1; EP1379857A1; WO2002084263A1; EP1379857B1; ATE451607T1

Abstract

Das Verfahren dient zur Ermittlung der Laufzeitverteilung des Lichts im Probenzweig eines Interferometers, bei dem das aus dem Referenzzweig und dem Probenzweig zurückkehrende Licht überlagert und anhand der Intensitätsverteilung des überlagerten Lichts eine Laufzeitverteilung des Lichts im Probenzweig bestimmt wird. Die Auswertung erfolgt anhand der räumlichen Intensitätsverteilung des überlagerten Lichts.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Laufzeitverteilung des Lichts im Probenzweig eines Interferometers gemäß den im Ober begriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen sowie eine interfero metrische Anordnung zur Ausführung dieses Verfahrens gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 3 angegebenen Merkmalen.

Derartige Verfahren zur Ermittlung der Laufzeitverteilung und entspre chende Vorrichtungen zählen zum Stand der Technik und sind beispiels weise aus WO 92/19930 bekannt. Sie werden typischerweise bei der optischen Kohärenztomografie (OCT) eingesetzt. Dieses Verfahren arbeitet im Bereich kurzer Wellenlängen, insbesondere im nahen In frarotspektrum des Lichts, und wird zur mikroskopischen Auflösung von Oberflächen- und/oder räumlichen Strukturen eingesetzt. Da sich die Laufstrecken des Lichts entsprechend der zu differenzierenden Struktu ren nur im µm-Bereich ändert und die Laufzeitänderungen nur im Be reich weniger Femtosekunden liegen, scheidet die im Bereich von Schallwellen übliche zeitaufgelöste Messung zur Ermittlung dieser Lauf zeitunterschiede aus. Bei der optischen Kohärenztomografie wird daher ein kohärenter Nachweis genutzt, um die Laufzeitverteilung der zurück gestreuten Wellen zu bestimmen.

Hierzu wird regelmäßig ein Interferometer eingesetzt, bei dem das von einer Lichtquelle emittierte Licht mittels eines Strahlteilers in einen Proben- und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird, die in einem Proben- bzw. einem Referenzzweig der Vorrichtung geführt werden. Während das Licht im Referenzzweig einen definierten Weg zurücklegt, wird das Licht im Probenzweig an den Strukturen der Probe reflektiert bzw. ge streut, so dass sich je nach Probe und Ort der Messung unterschiedliche Laufstrecken und damit auch unterschiedliche Laufzeiten ergeben.

Das im Referenzzweig geführte, in der Regel mittels eines Spiegels in sich reflektierte Licht wird zusammen mit dem von der Probe im Probenzweig reflektierte Licht überlagert, wobei die Intensität des überlagerten Lichts, z. B. mittels Fotodioden, erfasst und elektronisch ausgewertet wird, um die Laufzeitverteilung im Probenzweig und damit die Tomographie der Probe zu ermitteln. Intensitätsunterschiede im überlagerten Licht stellen sich durch Interferenzen zwischen Referenz- und Probenstrahl ein, wenn die Laufzeit im Referenzzweig variiert wird, die zeitlich ausgewertet werden.

Wenn das Proben- und Referenzlicht auf seinen Wegen eine Phasendif ferenz hat, die ein geradzahliges Vielfaches von π beträgt, so tritt eine konstruktive Interferenz auf, bei ungeradzahligem Vielfachen von π hingegen eine destruktive. Der formale Zusammenhang zwischen einer Laufzeitdifferenz δ und der resultierenden, am Detektor des Interfero meters gemessenen Intensität I_M ergibt sich wie folgt:

wobei I_P die Intensität des aus dem Probenzweig kommenden Lichts und I_R die Intensität des aus dem Referenzzweig kommenden Lichts und γ den Kohärenzgrad des Lichts darstellen.

Zu den vorerwähnten Interferenzerscheinungen kommt es allerdings nur, wenn sich die Laufzeiten in beiden Zweigen des Interferometers um höchstens die Kohärenzlänge unterscheiden. Wenn eine Lichtquelle mit sehr kurzer Kohärenzlänge verwendet wird, kann auf diese Weise eine Diskriminierung der verschiedenen Tiefenschichten erfolgen.

Bei bekannten Systemen zur optischen Kohärenztomografie wird zur Gewinnung der Tiefeninformation aus den Intensitätsschwankungen im Allgemeinen das Heterodynverfahren verwendet. Dabei wird die Lauf strecke des Lichts im Referenzzweig mit möglichst konstanter Geschwin digkeit verändert, so dass die Wechsel von konstruktiver zu destruktiver Interferenz in vorgegebenen zeitlichen Abständen erfolgen. Solche Vorrichtungen zur Veränderung der Laufstrecke werden als Phasenmo dulatoren bezeichnet. Die so entstehende Sinusmodulation bildet die Trägerfrequenz des z. B. mittels einer Fotodiode erfassten Signals, die üblicherweise in der Größenordnung einiger 100 kHz liegt. Die für die OCT relevante Information über die Tiefenstruktur der Probe entspricht der Amplitude der Trägerwelle, die mittels einer elektronischen Signalver arbeitung gewonnen wird.

Um die Strukturen der Probe mit dem vorgenannten Verfahren zu erfas sen, muss in der vorbeschriebenen Weise für jeden Punkt die entspre chende Tiefeninformation gewonnen werden. Dabei bedingt die elektrische Signalaufbereitung eine feste Trägerfrequenz des Mess signals, womit das Gerät an eine einmal festgelegte Aufnahmege schwindigkeit in der Regel für immer gebunden ist. Darüber hinaus begrenzt auch die Mechanik des Phasenmodulators die Messgeschwindigkeit typischerweise auf einige 100 Abtastungen pro Sekunde.

Diese Grenze ist bei Scannern, die mittels periodischer, mechanischer Bewegungen eine Weglängenänderung generieren, wenn überhaupt, so nur mit hohem technischen Aufwand zu überwinden. Darüber hinaus weist der Phasenmodulator stets bewegliche Teile auf, die einem gewis sen Verschleiß unterliegen. Auch muss die zum Betrieb des Phasenmodulators eingebrachte Energie aus der Vorrichtung abgeführt werden, da insbesondere durch Erwärmung bzw. Abkühlung ungewünschte System änderungen eintreten können, beispielsweise eine Änderung der Lauf strecke einer der beiden Interferometerzweige. Auch führen Geschwin digkeitsschwankungen im Phasenmodulator zu Frequenzverschiebun gen der Trägerfrequenz mit der Folge, dass die Filter im Demodulator entsprechend breit gewählt werden müssen, was die Messdynamik des Systems verschlechtert. Ferner hat sich gezeigt, dass sich der Phasenmo dulator in aufeinanderfolgenden Zyklen nicht exakt gleich verhält, wodurch die ermittelte Oberflächentopografie fehlerbehaftet ist.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße interferometrische Anordnung so auszubilden, dass die vorgenannten Probleme vermieden oder zumindest vermindert werden.

Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst, der vorrichtungsmäßige Teil durch die in Anspruch 3 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen interferometrischen Anordnung sind in den Unteransprüchen, der nach folgenden Beschreibung sowie den Figuren angegeben.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die Auswertung zur Ermittlung der Laufzeitverteilung des Lichts im Probenzweig eines Interfe rometers nicht wie nach dem Stand der Technik zeitlich, sondern räum lich vorzunehmen, nämlich anhand der räumlichen Intensitätsverteilung des überlagerten Lichts. Dabei ist unter Licht im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen 100 nm und 1 mm zu verstehen, sondern grundsätzlich jede Strahlung, soweit sie den in diesem Zusammenhang wesentlichen physi kalischen Gesetzen (Superpositionsprinzip) gehorcht.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich ohne bewegte Teile durchgeführt werden, es benötigt also nicht den bisher erforderli chen Phasenmodulator und die damit verbundenen konstruktiven, kostenmäßigen und systembedingten Nachteile. Dabei wird das aus dem Probenzweig und dem Referenzzweig des Interferometers zurück kehrende Licht zur Bildung einer Gauß'schen Strahltaille geführt und räumlich überlagert, wobei anhand der räumlichen Intensitätsverteilung in diesem überlagerten Bereich die Laufzeitverteilung des Lichts im Probenzweig bestimmt wird.

Wenn, was erstrebenswert ist, der vorrichtungsmäßige Aufbau des Interferometers so gestaltet ist, dass das Licht im Wesentlichen in Lichtwellenleitern geführt ist, dann ergibt sich eine solche Gauß'sche Strahltaille nach Austritt aus der Faser (Monomodefaser) von selbst, das heißt, das Ende eines Lichtwellenleiters bildet eine virtuelle Punktlicht quelle. Die Enden sind also lediglich so anzuordnen, dass sich ein Überla gerungsbereich ergibt.

Um die Auswertung zu vereinfachen, ist es zweckmäßig, den Ausgängen des Lichtwellenleiters eine Zylinderlinse nachzuschalten, um den jeweils kegelförmigen Lichtbündel in einen fächerförmigen und im Wesentli chen in einer Ebene liegenden zu bündeln, in der dann eine Fotodetek torzeile als Detektionseinrichtung angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit einer breitbandigen Licht quelle kurzer Kohärenzlänge betrieben. Das Licht dieser Quelle wird in an sich bekannter Weise in einen ersten Strahlteil aufgeteilt, der eine konstante Strecke bis zur Detektionseinrichtung zurücklegt - dieser Teil des Interferometers wird als Referenzzweig bezeichnet - und in einen zweiten Teil, der auf die zu untersuchende Probe einstrahlt, von dieser reflektiert oder zurückgestreut wird, so dass sich eine je nach Tiefe der Reflexionsschicht veränderte Laufstrecke und damit auch Laufzeit des Lichtes zur Detektionseinrichtung ergibt. Beide Anteile werden an zwei räumlich voneinander entfernten Orten zur Bildung einer Gauß'schen Strahltaille geführt und überlagert. Dabei ergibt sich je nach Laufzeitver teilung eine unterschiedliche Intensitätsverteilung über die Detektions achse. Dabei bildet sich bei der Verwendung einer Lichtquelle mit gauß'schem Spektrum eine sinusförmige Intensitätsverteilung, deren Einhüllende eine Gaußkurve ist (Fig. 2), die bei gleicher Laufzeit in beiden Interferometerzweigen, d. h. bei exakt gleicher Länge beider Zweige, ihr Maximum in der Mitte zwischen den beiden Austrittsorten aufweist. Die Verschiebung dieses Maximums aus der Mitte heraus zur einen oder zur anderen Seite ist ein Maß für die Laufzeitänderung im Probenzweig gegenüber dem Referenzzweig und somit auch ein Maß für die Laufstreckendifferenz zwischen den beiden Zweigen. Das Aus gangssignal kann also beispielsweise bei Verwendung einer Fotodetek torzeile als direktes Maß zur Ermittlung der Tomographie der Probe in diesem Punkt herangezogen werden.

Der vorrichtungsmäßige Aufbau zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens kann je nach Anwendungsschwerpunkt unterschied lich sein. Allen Ausführungen gemeinsam ist jedoch der Verzicht auf einen Phasenmodulator. Zweckmäßigerweise wird jedoch im Referenz- oder auch im Probenzweig eine Anordnung zum Kalibrieren, d. h. zum ggf. erforderlichen Ausgleichen unterschiedlicher Längen vorgesehen. Hierzu kann beispielsweise ein Phosenmodulator eingesetzt werden, der keinen oder zumindest keinen dynamischen Antrieb aufweist. Der vor richtungsmäßige Aufbau der Messanordnung kann so gestaltet sein, dass mit Ausnahme eines kleinen Bereichs zwischen einem Lichtwellenleiteraus- und -eintritt des Probenzweigs und der Probe das Licht in der gesamten Anordnung geschlossen und im Wesentlichen ausschließlich in Lichtwellenleitern geführt wird, so dass die Anordnung weitgehend unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse, insbesondere Staub und Erschütterungen, ist.

Bei einer ersten Ausführungsvariante ist die Anordnung so ausgebildet, dass ein Beleuchtungszweig zur Führung des von einer Lichtquelle aus gehenden kurzkohärenten Lichts vorgesehen ist, der an einen vorzugs weise als Faserkoppler ausgebildeten Strahlteiler anschließt, der das Licht in Probenzweig und in den Referenzzweig anteilig leitet. Bei dieser Anordnung kann der Referenzzweig durch einen einzigen Lichtwellenlei ter gebildet sein, der das Licht vom Strahlteiler vorzugsweise direkt bis zum Austritt neben dem austrittseitigen Ende des Probenzweigs führt. Bei dieser Anordnung ist also lediglich der Probenzweig zur Probe hin offen ausgebildet. Um die Lichtintensität innerhalb des Probenzweigs weiter zu steigern, wird innerhalb des Probenzweigs vorzugsweise ein Zirkulator eingesetzt, der das Licht auf die Probe richtet und das von der Probe reflektierte Licht aufnimmt und in Richtung zur Detektionseinrichtung weiterleitet. Da das Licht des Probenzweigs nicht wieder in den Strahl teiler zurückgeführt wird, kann die Strahlteilung so erfolgen, dass nahezu das gesamte Licht in den Probenzweig gelangt, wodurch auch Proben mit vergleichsweise hoher Absorptionseigenschaft untersucht werden können.

Darüber hinaus können zusätzlich oder auch alternativ im Referenzzweig Mittel zum Verringern der Lichtintensität vorgesehen sein, beispielsweise Graufilter oder dergleichen, um die Intensität des Lichts im Referenz zweig zumindest grob an die des Probenzweigs anzugleichen.

Um große Entfernungen zwischen Probe und Detektionseinrichtung zu überwinden und insbesondere Wärmeeinflüsse weitgehend auszu schalten, ist eine Anordnung von Vorteil, bei der der Beleuchtungszweig zwar ebenfalls in einen Strahlteiler, vorzugsweise einen Faserkoppler, mündet, der das Licht in den Probenzweig und in den Referenzzweig anteilig leitet, die jedoch so ausgebildet ist, dass das Licht sowohl im Proben- als auch im Referenzzweig reflektiert wird, zum Strahlteiler zu rückgelangt und von dort über einen gemeinsamen Lichtwellenleiter zu einem weiteren Strahlteiler, der weit entfernt angeordnet sein kann, geführt ist. Dieser weitere Strahlteiler speist zwei Lichtwellenleiter mit jeweils einem Austritt, die der Detektionseinrichtung zugeordnet sind. In dieser Anordnung werden also Referenz- und Probenzweig zusammen geführt, beispielsweise in einem gemeinsamen Lichtwellenleiter, wo durch die Überbrückung größerer Entfernungen möglich ist und die Vorrichtung zumindest in diesem Bereich weitgehend unempfindlich gegen Wärmeeinflüsse ist, da sich sowohl beim Ausdehnen als auch beim Kontrahieren die Längen von Referenz- und Probenzweig in glei cher Weise ändern und damit das Messergebnis nicht beeinflussen.

Dabei kann die Anordnung so sein, dass der Referenzzweig einen Spie gel aufweist oder das entsprechende Ende des Lichtwellenleiters ver spiegelt ausgebildet ist, um das Licht im Referenzzweig zum Strahlteiler zurückzuleiten. Im Probenzweig erfolgt dies durch die Probe. Alternativ kann das Licht auch in diesem Bereich im Referenz- und Probenzweig gemeinsam geführt werden, wenn entweder für den Referenzzweig ein halbdurchlässiger Spiegel im Bereich vor der Probe angeordnet ist oder aber die Probe selbst mindestens zwei unterschiedliche Flächen zur Reflexion aufweist, wobei dann das an einer dieser Flächen reflektierte Licht als Licht des Referenzzweigs dient.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist es günstig, die Intensität des überlager ten Lichts nicht flächenmäßig, sondern zeilenweise zu erfassen und hierzu, beispielsweise mittels einer Zylinderlinse, die austretenden Licht strahlen entsprechend flach zu bündeln. Als Fotodetektorzeile kann grundsätzlich eine beliebige Reihe lichtempfindlicher Zellen eingesetzt werden, wie beispielsweise eine Fotodiodenzeile, eine CCD-Zeile oder dergleichen. Besonders günstig sowohl hinsichtlich der Kosten als auch hinsichtlich des Messfehlers und der Messdynamik ist die Verwendung eines MOS-Zeilensensors, wobei der Abstand der Detektionszellen vor zugsweise so gewählt wird, dass der Mittelpunktsabstand einem Drittel der mittleren Wellenlänge des Lichts entspricht. Dann ist eine zuverlässi ge Detektion ohne Kenntnis der Phasenlage des Lichts bzw. der Intensitätsverteilung möglich. Gegebenenfalls kann der Abstand der Detektor zellen weiter vergrößert werden, wenn Informationen über die Phasenla ge berücksichtigt werden oder die Auflösung verringert wird (Undersam pling).

Das analoge Ausgangssignal der Detektionseinrichtung, insbesondere des MOS-Zeilensensors, kann sowohl analog als auch digital oder auch analog-digital weiterverarbeitet werden. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, das Ausgangssignal zunächst einmal analog weiterzuver arbeiten und innerhalb der Auswerteeinrichtung um einen vorgegebe nen Wert zu reduzieren und nachfolgend ggf. zu spreizen. Wenn dann ein Analog-/Digitalwandler nachgeschaltet wird, kann dieser eine geringere Messauflösung haben, ohne die Genauigkeit des Messergeb nisses zu beeinflussen. Hierbei ist jedoch sorgfältig darauf zu achten, dass das Ausgangssignal der Detektionseinrichtung stets über dem Wert liegt, um den das Signal innerhalb der Auswerteeinrichtung bei der analogen Bearbeitung reduziert wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestell ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung die Geometrie am Young'schen Doppelspalt,

Fig. 2 eine Intensitätsverteilung, wie sie mit einem MOS-Zeilensen sor typischerweise gemessen wird,

Fig. 3 in schematischer Seitenansicht den Strahlverlauf zwischen Lichtwellenleiter und Detektionseinrichtung,

Fig. 4 den Strahlverlauf gemäß Fig. 3 in Draufsicht,

Fig. 5 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbei spiel der Erfindung,

Fig. 7 in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 8 in schematischer Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 ein Blockdiagramm der digitalen Signalverarbeitung in der Auswerteeinrichtung und

Fig. 10 ein Blockdiagramm einer analogen Signalverarbeitung der Auswerteeinrichtung.

Den anhand der Fig. 5 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispielen, welche den vorrichtungsmäßigen Aufbau darstellen, gemeinsam ist eine breitbandige Lichtquelle 1 mit kurzer Kohärenzlänge, die in eine Interfe rometeranordnung einspeist. Das von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht gelangt über einen Lichtwellenleiter 2 von der Lichtquelle 1 zu einem ersten Strahlteiler 3 in Form eines Faserkopplers. Als Lichtwellenlei ter dienen dabei, wie bei solchen Anwendungen üblich, Single-Mode- Fasern.

Innerhalb des Strahlteilers 3 wird das von der Lichtquelle 1 kommende Licht in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die einen Referenzzweig und einen Probenzweig des Interferometers durchlaufen.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 5 gelangt das Licht vom Strahlteiler 3 in einen den Referenzzweig des Interferometers bildenden Lichtwellenleiter 4 sowie in den Probenzweig, bestehend aus einem Lichtwellenleiter 5 sowie einem am lichtquellenseitigen Ausgang des Faserkopplers 3 anschließenden Lichtwellenleiter 6. Der probenzweigseitige Teil des Lichtes gelangt vom Strahlteiler 3 zunächst in den Lichtwellenleiter 5, an dessen freien Ende das Licht austritt, eine Optik 7 durchtritt und auf eine Probe 8 fokussiert auftrifft. An der Probe 8 wird das Licht reflektiert, so dass es durch die Optik 7 zurück in den Lichtwellenleiter 5 und in den Strahlteiler 3 gelangt, von wo ein Teil ungenutzt durch den Lichtwellenlei ter 2 zur Lichtquelle 1 zurückläuft und der andere Teil durch den Licht wellenleiter 6 geführt wird. Die beiden Enden des Lichtwellenleiters 4 des Referenzzweigs sowie des Lichtwellenleiters 6 des Probenzweigs sind in einer optischen Anordnung IV geführt, wie sie weiter unten anhand der Fig. 3 und 4 noch im Einzelnen beschrieben ist.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 gelangt in gleicher Weise wie vor beschrieben Licht einer breitbandigen Lichtquelle 1, beispielsweise einer Superumineszenzdiode, durch den Lichtwellenleiter 2 zu einem Strahl teiler 3 in Form eines Faserkopplers. Das Licht wird dabei in einen Licht wellenleiter 9 sowie einen Lichtwellenleiter 5 geleitet. Der Lichtwellenlei ter 5 bildet in gleicher Weise wie der vorbeschriebenen Ausführungs variante gemäß Fig. 5 den Teil des Probenzweigs, an dem das Licht durch eine Optik 7 austritt, auf die Probe 8 fokussiert, dort reflektiert und in den Lichtwellenleiter 5 zurückgeworfen wird. Der Lichtwellenleiter 9 bildet Teil des Referenzzweigs. Das hierdurch geleitete Licht wird am Ende mittels eines Spiegels oder einer verspiegelten Endfläche reflektiert und gelangt wiederum zum Strahlteiler 3. Ein Teil des reflektierten Lichts aus Proben- und Referenzzweig gelangt ungenutzt in den Lichtwellenlei ter 2, der andere Teil hingegen in den ebenfalls an der Seite der Licht quelle am Faserkoppler 3 anschließenden Lichtwellenleiter 10, der an einen zweiten Strahlteiler 12 ebenfalls in Form eines Faserkopplers an schließt. Der Lichtwellenleiter 10 zwischen den Strahlteilern 3 und 12 ist sowohl Teil des Proben- als auch Teil des Referenzzweigs, der in diesem Bereich der Vorrichtung zusammengeführt ist. Der zweite Strahlteiler 12 teilt das in dem Lichtwellenleiter 10 geführte Licht in zwei Strahlteile auf, die in Lichtwellenleitern 13 und 14 geführt sind, deren Enden in einer Anordnung IV liegen, die weiter unten im Einzelnen beschrieben ist.

Die Anordnung gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von der vorbeschriebe nen dadurch, dass Proben- und Referenzzweig in denselben Lichtwellen leitern 5 und 10 geführt sind, wobei zwischen der Optik 7 und der Probe 8 ein halbdurchlässiger Spiegel 15 angeordnet ist, so dass ein Teil des Lichts an diesem reflektiert wird und ein anderer Teil an der Probe 8, wodurch sich Laufzeitunterschiede ergeben, die am Ende innerhalb der Anordnung IV ausgewertet werden können. Anstelle des halbdurch lässigen Spiegels 15 kann auch eine zumindest teildurchlässige Probe vorgesehen sein, wobei dann eine Fläche der Probe als festliegend definiert und die Länge der Laufstrecke bzw. die Laufzeitverteilung, die sich für die weitere Reflexionsschicht ergibt, stets relativ zur ersten ge messen wird.

Die Anordnung gemäß Fig. 8 entspricht in ihrem wesentlichen Aufbau der gemäß Fig. 5. Auch hier gelangt Licht von der Lichtquelle 1 über den Lichtwellenleiter 2 zu einem Strahlteiler 3, von wo es in einen Lichtwellen leiter 4 als Referenzzweig sowie in einen Lichtwellenleiter 16, der zu einem Zirkulator 17 führt, an den ein Lichtwellenleiter 5 sowie ein Licht wellenleiter 18 anschließen, die den Probenzweig bilden, gelangt. Innerhalb des Probenzweigs gelangt das Licht durch den Lichtwellenlei ter 16 zunächst in den Zirkulator 17, der dieses in den Lichtwellenleiter 5 führt. Von dort wird es durch die Optik 7 auf die Probe 8 fokussiert, reflek tiert und gelangt durch die Optik 7 und den Lichtwellenleiter 5 wiederum zum Zirkulator 17, der das reflektierte Licht in den Lichtwellenleiter 18 einspeist, dessen Ende zusammen mit dem des Lichtwellenleiters 4 in eine Anordnung IV geführt ist. Bei dieser Ausführung ist aufgrund der verlustärmeren Lichtführung eine höhere Lichtintensität des Proben zweigs gegeben als bei den vorbeschriebenen Ausführungsvarianten.

Insbesondere bei der Ausführung nach Fig. 8 ist es zweckmäßig, die Strahlteilung 3 so vorzunehmen, dass ein Großteil des Lichts in den Pro benzweig und nur ein kleiner Teil des Lichts in den Referenzzweig ge langt, um die im Probenzweig regelmäßig höheren Verluste auszuglei chen. Darüber hinaus sind im Referenzzweig bei den Ausführungsvarian ten gemäß den Fig. 5, 6 und 8 zusätzlich im Referenzzweig einschwenkbare Graufilter vorgesehen, welche die Lichtintensität in nerhalb dieses Arms herabsetzen können, um auf ein etwa gleiches Intensitätsniveau wie im Probenzweig zu kommen. Darüber hinaus weisen die vorbeschriebenen Vorrichtungen nach den Fig. 5, 6 und 8 vorzugsweise im Referenzzweig ein Kalibrierglied auf, welches es ermöglicht, die Laufstrecke des Lichts im Referenzzweig an die im Pro benzweig anzupassen. Hierzu kann beispielsweise ein Phasenmodulator eingesetzt werden.

Um die Laufstreckenunterschiede des Lichts zwischen Referenz- und Probenzweig, insbesondere die Laufzeitverteilungen im Probenzweig zu ermitteln, werden mittels der Anordnung IV Interferenzen erzeugt, die zu Intensitätsunterschieden des Lichts über der Fläche führen, die räumlich erfasst werden, um auf diese Weise die Laufzeitverteilung und damit insbesondere die Laufstreckenunterschiede zwischen Proben- und Referenzzweig zu ermitteln. Ausgangspunkt der Anordnung IV sind die Zusammenhänge, die sich aus den in der Literatur als Young'scher Doppelspaltversuch bekannten Phänomenen ergeben. Wenn, wie anhand von Fig. 1 dargestellt, zwei kohärente Lichtquellen in einem Abstand d voneinander so positioniert werden, dass beide den Abstand D von einer Beobachtungsebene B einnehmen, stellen sich auf dieser Beobachtungsebene B Interferenzerscheinungen ein. Wenn der Ab stand D sehr viel größer als der Abstand d ist, kann die Weglängendiffe renz δ zwischen den beiden Lichtquellen folgendermaßen beschrieben werden:

wobei die beiden Lichtquellen entsprechend dem Doppelspaltversuch durch eine Lichtquelle mit einem nachfolgend angeordneten Doppel spalt im Abstand d ersetzt sind. Dabei stellt die Weglänge L₁ die Weglän ge zwischen dem ersten Spalt bis zu einem Punkt P auf der Beobach tungsebene B und L₂ die Weglänge von dem zweiten Spalt zu diesem Punkt P dar, wobei x der Abstand des Punktes P zu der Mittelachse zwischen den beiden Spalten darstellt.

Zu konstruktiver Interferenz kommt es dabei an allen Punkten x_m, bei denen der Weglängenunterschied zwischen den Spalten gerade ein ganzzahliges Vielfaches der mittleren Wellenlänge des Lichts ist:

Diesen Effekt nutzt die Anordnung IV aus, bei der anstelle des Doppel spalts die Ausgänge der Lichtwellenleiter 4 und 6, 13 und 14 bzw. 4 und 18 dienen, die im Abstand d so zueinander angeordnet sind, dass sich der vorbeschriebene Interferenzeffekt einstellt. Dabei stellen die hier eingesetzten Monomode-Lichtwellenleiter Gauß'sche Strahltaillen dar. Das heißt, dass das aus den Faserenden austretende Licht in lateraler Richtung ein Gaußförmiges Intensitätsprofil aufweist. Außerdem weitet sich das Lichtbündel mit zunehmendem Abstand von der Faser mit der numerischen Apertur des Lichtwellenleiters auf. Die beiden Faserenden sind so platziert, dass es zu einer weitgehenden Überlappung der ent stehenden Strahlkegel kommt. In diesem Überlappungsbereich interfe rieren die kohärenten Anteile miteinander. Die sich aufgrund der Interfe renzerscheinungen einstellenden unterschiedlichen Lichtintensitäten über die Betrachtungsfläche werden auf eine Betrachtungslinie gebündelt, indem den Enden 19, 20 eine Zylinderlinse 21 nachgeschaltet ist, der wiederum in geeignetem Abstand d eine Zeilenkamera 22 als Detek tionseinrichtung nachgeordnet ist.

Die räumliche Intensitätsverteilung des Lichts längs der Achse der Zeilen kamera 22 ergibt sich dabei wie folgt:

wobei I_P die Intensität des Lichts im Probenzweig, I_R die Intensität des Lichts im Referenzzweig, x der Abstand zu der zwischen den Enden 19 und 20 liegenden Mittellinie 23 und γ die Kohärenzfunktion des Lichtes darstellt.

Um die sich ergebenden Intensitätsunterschiede mit ausreichender Auflösung erfassen zu können, ist die Zeilenkamera 22, die als MOS- Zeilensensor ausgebildet ist, hinsichtlich Abstand und Anzahl der Ein zelsensoren 24 so aufgebaut, dass der Abstand der Mittelpunkte be nachbarter Sensoren 24 kleiner als die Hälfte oder ein Drittel (Nyquistkriterium) der mittleren Wellenlänge des von der Lichtquelle 1 ausgehenden Lichtes ist.

Die anhand von Fig. 2 dargestellte Intensitätsverteilung ergibt sich bei gleicher Laufzeitverteilung des Lichtes im Proben- und im Referenzzweig, d. h. bei gleicher Länge. Die Länge des Probenzweigs ist dabei von der Lage der Oberfläche der Probe im abgetasteten Punkt abhängig. Längenänderungen ergeben sich somit als Verschiebung der einhüllen den Gaußkurve in Fig. 2 nach links oder rechts vom Nullpunkt, wobei die Verschiebung ein direktes Maß für die Laufzeitänderung im Referenz- und Probenzweig und somit für die Längenänderung des Probenzweigs gegenüber dem Referenzzweig in Abhängigkeit der mittleren Wellenlän ge des eingesetzten Lichtes ist.

Die Verarbeitung des von der Zeilenkamera 22 ausgehenden elektri schen Signals ist anhand der Fig. 9 und 10 dargestellt, wobei Fig. 9 eine Auswerteeinrichtung mit im Wesentlichen digitaler Signalverarbei tung und Fig. 10 eine solche mit analoger Signalverarbeitung darstellt. Die aus dem Zeilensensor 22 ausgelesenen Daten werden zunächst mittels eines Verstärkers 25 verstärkt und in Spannungswerte umgewan delt. Dem Verstärker 25 nachgeschaltet ist ein Analog-Digital-Wandler 26. Für eine Datenrate, die in etwa der entspricht, die auch mit zeit aufgelöster OCT erreichbar ist, kann z. B. ein 3-MHz-Wandler eingesetzt werden. Die am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 26 aufbereiteten Daten können digital weiterverarbeitet werden, wie dies auch bei zeitaufgelösten OCT-Geräten an sich bekannt ist. Zunächst werden die Daten von systematischen Fehlern bereinigt, insbesondere denen, die sich durch unterschiedliche Pixelempfindlichkeit ergeben. Hierzu werden die einzelnen Messwerte jedes Sensors 24 der Sensorzeile 22 mit vorab ermittelten und in einem Speicher 27 abgelegten Korrekturfaktoren multipliziert, dann in einem Bandpass 28 gefiltert, um störende Rausch anteile zu minimieren. Danach wird das Signal demoduliert, indem es zunächst einem Gleichrichter 29, dann einem Tiefpass 30 zugeführt und schließlich in einer Baueinheit 31 logarithmiert wird, um die Darstellung über mehrere Größenordnungen zu ermöglichen.

Wenn die aus der Sensorzeile 22 ausgelesenen Daten wie vorbeschrie ben direkt digitalisiert werden, muss das mit einer Digitalisierungsrate erfolgen, die etwa der doppelten Trägerfrequenz entspricht. Außerdem ist in diesem Fall eine Digitalisierungstiefe von etwa 14 Bit erforderlich.

Insofern günstiger ist eine Auswerteeinrichtung gemäß Fig. 10, bei der die gewonnenen Messdaten zunächst analog aufbereitet werden, um dadurch die Anforderungen an den A/D-Wandler 26 zu minimieren. Dazu werden die auf dem Bildsensor vorliegenden räumlichen Informa tionen wieder in zeitkontinuierliche zurückverwandelt, indem alle Senso ren 24 des Zeilensensors 22 mit einer bestimmten Frequenz ausgelesen werden. Ein so gewonnenes Signal kann dann mittels eines Bandpasses 28 gefiltert, gleichgerichtet (29), logarithmiert (31) und mittels eines Tiefpasses 30 geglättet werden, wie es auch bei der heutigen, zeit aufgelösten Standard-OCT üblich ist. Zur Digitalisierung des so gewonne nen Signals ist dann ein 8-Bit-Wandler ausreichend, der mit 5% der Trägerfrequenz getaktet wird.

Ein Problem dabei ist allerdings, dass die Empfindlichkeitsunterschiede der einzelnen Sensoren 24 nicht mehr numerisch entfernt werden kön nen. Die entsprechenden Kalibrierungswerte können jedoch digitalisiert in einem ROM-Baustein 27 gespeichert werden, mittels eines Digital/Analogwandlers 32 in analoge Signale zurückverwandelt und mit den jeweiligen Messwerten aus dem zugehörigen Bildsensor 24 multipli ziert werden. Dabei ist eine Wandelgenauigkeit ausreichend, die dem Kehrwert aus der Unformitätsschwankung multipliziert mit der notwendi gen Wandlerauflösung im Fall der direkten Digitalisierung entspricht.

Die vorstehenden Beschreibungen kennzeichnen den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung. Es versteht sich, dass je nach Anwendungs zweck die Einzelkomponenten entsprechend zu variieren oder auszu wählen sind. So weisen beispielsweise die Anordnungen nach den Fig. 6 und 7 den großen Vorteil auf, dass das Licht vom Referenz- und Probenzweig im Bereich des Lichtwellenleiters 10 gemeinsam geführt ist, so dass hier ggf. auch weite Entfernungen überbrückt werden können, ohne Nachteile hinsichtlich der Langzeitstabilität befürchten zu müssen. Die Ausführungsvariante gemäß Fig. 8 ist aufgrund des eingesetzten Zirkulators 17 zwar vom Bauaufwand höher als die anderen, weist dafür jedoch eine deutlich höhere Lichtausbeute im Probenzweig auf, wo durch die Dynamik erhöht wird.

Wenn beispielsweise mit einem OCT-Gerät des vorbeschriebenen Auf baus ein Tiefenmessbereich der Probe von 15 µm erfasst werden soll, so genügt ein Messbereich von 70 µm in der Regel, um praktikabel Messungen durchführen zu können. Solche Messtiefen sind beispielsweise zur Vermessung galvanisch erzeugter Strukturen von Halbleitern erforderlich. Wenn als Lichtquelle eine Superlumineszenzdiode mit einer mittleren Wellenlänge von 830 nm eingesetzt wird, so ist bei einem Abstand der einzelnen Bildpunkte des Sensors von einem Drittel der Wellenlänge beispielsweise ein CMOS-Zeilensensor mit 512 Elementen brauchbar, bei denen jede fotoempfindliche Zelle ein Größe von 25 × 2.500 µm auf weist. Wenn zwischen den Ausgängen 19 und 20 der Lichtwellenleiter, die das aus dem Proben- und Referenzzweig zurückkehrende Licht führen, ein Abstand von 2,5 mm gewählt wird, muss die Betrachtungs ebene B 224 mm von den Faserenden entfernt platziert werden, damit auf jede Detektorzelle eine drittel Wellenlänge entfällt. Bei einem der artigen Abstand und einer Apertur der verwendeten Lichtwellenleiter von 0,11 fällt die Intensität von der Mitte des Bildsensors bis zu seinem Rand hin auf ca. 80% der Maximalintensität ab. Damit nicht ein wesentli cher Teil der Lichtleistung ober- oder unterhalb des Bildsensor vorbei läuft, kann eine Zylinderlinse mit einer Brennweite von 10 mm in einem Abstand von 10 mm vor den Faserenden platziert werden. Unter diesen Bedingungen wird das Licht aus den Fasern zu einem ca. 2 mm hohen Bündel kollimiert, so dass das gesamte Licht auf die 2,5 mm hohen Sensorelemente gelangt. Die Auswertung kann beispielsweise mit einer Digitalisierungsrate von 100 kHz erfolgen, so dass die 512 Elemente des Bildsensors 200 mal pro Sekunde ausgelesen werden. Es könnten also theoretisch 200 Punkte der Probe pro Sekunde tiefenmäßig vermessen werden, wobei für die Verschiebung der Probenzweigoptik von Punkt zu Punkt noch eine gewisse Zeit kalkuliert werden muss, so dass diese theoretische Abtastgeschwindigkeit möglicherweise nicht vollständig ausgenutzt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Lichtquelle

2

Lichtwellenleiter

3

Strahlteiler, Faserkoppler

4

Lichtwellenleiter (Referenzzweig)

5

Lichtwellenleiter (Probenzweig)

6

Lichtwellenleiter

7

Optik

8

Probe

9

Lichtwellenleiter (Referenzzweig)

10

Lichtwellenleiter

11

Spiegel

12

zweiter Strahlteiler

13

Lichtwellenleiter

14

Lichtwellenleiter

15

halbdurchlässiger Spiegel

16

Lichtwellenleiter

17

Zirkulator

18

Lichtwellenleiter

19

Ende eines Lichtwellenleiters

20

Ende eines Lichtwellenleiters

21

Zylinderlinse

22

Sensorzeile

23

Mittellinie

24

Sensor

25

Verstärker

26

A/D-Wandler

27

Speicher

28

Bandpass

29

Gleichrichter

30

Tiefpass

31

logarithmierende Baueinheit

32

D/A-Wandler
B Betrachtungsebene
P Punkt
D Abstand zwischen Betrachtungsebene und Lichtquelle
d Abstand der Lichtquellen
X Abstand des Punkts zur Mittellinie
IV Anordnung zur Detektion

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Laufzeitverteilung des Lichts im Pro benzweig eines Interferometers, bei dem das aus dem Referenz zweig und dem Probenzweig zurückkehrende Licht überlagert und anhand der Intensitätsverteilung des überlagerten Lichts eine Laufzeitverteilung des Lichts im Probenzweig bestimmt wird, da durch gekennzeichnet, dass die Auswertung anhand der räumli chen Intensitätsverteilung des überlagerten Lichts erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Probenzweig und dem Referenzzweig zurückkehrende Licht zur Bildung einer Gauß'schen Strahltaille geführt und räum lich überlagert wird.

3. Interferometrische Anordnung, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Lichtquelle (1), deren Licht einem Probenzweig und einem Referenzzweig zu geführt ist, wobei das aus Proben- und Referenzzweig zurückkeh rende Licht überlagert und einer optischen Detektionseinrichtung (22) zugeführt ist, welche die durch Interferenz entstehende Inten sitätsverteilung des überlagerten Lichts erfasst, und mit einer Auswerteeinrichtung (25-32), welche der erfassten Intensitätsver teilung eine Laufzeitverteilung des Lichts im Probenzweig zuord net, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung (22) die Intensitätsverteilung über mindestens einen Flächenabschnitt des Überlagerungsbereichs erfasst und die Auswerteeinrichtung (25-32) anhand der räumlichen Intensitätsverteilung des überla gerten Lichts die Laufzeitverteilung ermittelt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Probenzweig und dem Referenzzweig zurückkehrende Licht so geführt ist, dass es je eine gauß'schen Strahltaille bildet.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Licht in der Anordnung in Licht wellenleitern (2, 4, 5, 6, 9, 10, 13, 14, 16, 18) geführt ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass im Referenz- und/oder Probenzweig Mittel zum Verändern der Laufstrecke vorgesehen sind.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass ein Beleuchtungszweig zur Führung des von einer Lichtquelle (1) ausgehenden Lichts vorgesehen ist, der mit einem Strahlteiler (3), vorzugsweise einem Faserkoppler, optisch verbunden ist, der das Licht in den Probenzweig und in den Referenzzweig leitet, wobei der Referenzzweig einen Licht wellenleiter (4) aufweist, der das Licht vom Strahlteiler (3) vorzugs weise direkt bis zum Austritt (19) neben den austrittseitigen Ende (20) des Probenzweigs führt.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass im Probenzweig ein optischer Zirkula tor (17) vorgesehen ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass Mittel zum Verringern der Lichtintensi tät im Referenzzweig vorgesehen sind.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass ein Beleuchtungszweig zur Führung des von einer Lichtquelle (1) ausgehenden Lichts vorgesehen ist, der mit einem Strahlteiler (3), vorzugsweise einem Faserkoppler, optisch verbunden ist, der das Licht in den Probenzweig und in den Referenzzweig leitet, wo es jeweils reflektiert und zurück in den Strahlteiler (3) gelangt, dass das im Proben- und Referenz zweig reflektierte Licht vom Strahlteiler (3) über einen gemein samen Lichtwellenleiter (10) zu einem weiteren Strahlteiler (12) geführt ist, und von dort in zwei Lichtwellenleitern (13, 14) zum Austritt geführt ist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Licht im Probenzweig an einer Probe (8) und im Referenzzweig an einem Spiegel (11) reflektiert wird.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Licht im Proben- und im Refe renzzweig gemeinsam geführt ist, wobei die Reflexion an mindestens zwei unterschiedlichen Flächen der Probe erfolgt.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Detektionseinrichtung (22) eine Zylinderlinse (21) vorgeschaltet ist und dass der erfasste Flächen abschnitt eine Zeile ist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine Foto detektorzeile (22), vorzugsweise einen MOS-Zeilensensor (22), aufweist.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine Reihe von Detektionszellen (24) aufweist, deren Mittelpunktsabstand einem Drittel der mittleren Wellenlänge des Lichts entspricht.

16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (25-32) einen analog arbeitenden Teil (22, 25) aufweist, der das elektri sche Signal der Detektionseinrichtung (22) innerhalb der Aus werteeinrichtung um einen vorgegebenen Wert reduziert, dass ein Analog/Digitalwandler (26) vorgesehen ist, mit dem das redu zierte Signal digitalisiert wird, und dass die weitere Signalverarbei tung digital erfolgt.