DE10042114A1

DE10042114A1 - Verfahren zur Beleuchtung eines Objekts mit Licht einer Laserlichtquelle

Info

Publication number: DE10042114A1
Application number: DE10042114A
Authority: DE
Inventors: Rafael Dr Storz; Johann Dr Engelhardt; Holger Dr Birk
Original assignee: Leica Microsystems Heidelberg GmbH; Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2000-08-28
Filing date: 2000-08-28
Publication date: 2002-03-14
Also published as: GB2368743B; US6864989B2; JP2002148522A; GB2368743A; GB0120663D0; US20020043618A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beleuchtung eines Objekts mit Licht (2) einer Laserlichtquelle (3), vorzugsweise in einem konfokalen Rastermikroskop (1). Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Kohärenzlänge des Laserlichts herabgesetzt werden, so dass störende Interferenzerscheinungen weitgehend eliminiert werden können. Falls sich dennoch Interferenzerscheinungen ausbilden, sollen diese derart beeinflusst werden, dass sie auf die Detektion keinen Einfluss haben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage des Lichtfelds mit einem Modulationsmittel (4) derart variiert wird, dass Interferenzerscheinungen im optischen Strahlengang innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls nicht oder nur in einem nicht detektierbaren Umfang auftreten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beleuchtung eines Objekts mit Licht einer Laserlichtquelle, vorzugsweise in einem konfokalen Rastermikroskop.

Laserlichtquellen werden in einer Vielzahl von Geräten und Anwendungen zur Beleuchtung von Objekten eingesetzt. Hierbei werden insbesondere die Vor teile der hohen Kohärenzlänge, des ausgezeichneten Strahlprofils bzw. die Paralellität der von der Laserlichtquelle emittierten Lichtstrahlung, die hervor ragende Frequenz- bzw. Wellenlängenkonstanz, sowie die Monochromasie des Lichts ausgenutzt.

Die hohe räumliche und zeitliche Kohärenz des Laserlichts beruht auf der sti mulierten Emission des optischen Mediums im Laser und hat zur Folge, dass sowohl die einzelnen Teilwellen als auch die zu verschiedenen Zeiten emit tierten Wellen nahezu unbeschränkt interferieren. Die Kohärenzlänge l eines Lasers ist mit der Linienbreite δν über die Beziehung

l = c/(2πδν)

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Demgemäß entspricht eine Linienbreite von δν = 100 MHz eine Kohärenzlänge von l = 0,5 m. Die Linienbreite bzw. die Kohärenzlänge einer Laserlichtquelle hängt auch entscheidend von dem Zeit intervall ab, über das die Linienbreite bzw. die Frequenz der Laserlichtquelle gemessen wird. Beispielsweise zeigt ein Laseroszillator bei großen Integrationszeiten Langzeiteffekte, die proportional zum Zeitintervall der Mes sung sind und durch eine lineare Drift des Laseroszillators, beispielsweise auf grund von Temperaturschwankungen, hervorgerufen werden.

Für einige Anwendungen ist eine hohe Kohärenzlänge jedoch störend, da sich hierdurch unerwünschte Interferenzerscheinungen in dem optischen Strahlengang ausbilden können. Insbesondere bei der konfokalen Rastermikroskopie können solche Interferenzerscheinungen Abbildungsfehler induzieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Kohärenzlänge des Laserlichts herabgesetzt werden kann, so dass störende Interferenzerscheinungen weitgehend eliminiert wer den können. Falls sich dennoch Interferenzerscheinungen ausbilden, sollen diese derart beeinflußt werden, dass sie auf die Detektion keinen Einfluß haben.

Das erfindungsgemäße Verfahren der gattungsbildenden Art löst die voran stehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage des Licht felds mit einem Modulationsmittel derart variiert wird, dass Interferenzer scheinungen im optischen Strahlengang innerhalb eines vorgebbaren Zeit intervalls nicht oder nur in einem nicht detektierbaren Umfang auftreten.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass störende Interferenz erscheinungen im optischen Strahlengang vermieden werden können, wenn die Kohärenzlänge des von der Laserlichtquelle emittierten Lichts kleiner als der optische Weg im Beleuchtungsstrahlengang ist. Selbst wenn sich störende Interferenzerscheinungen im optischen Strahlengang ausbilden, können mit einem geeigneten Modulationsmittel diese geeignet verändern, so dass inner halb eines gegebenenfalls von einer Detektionseinrichtung abhängenden vor gebbaren Zeitintervalls die Interferenzerscheinungen als solche nicht de tektierbar sind.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können in besonders vorteil hafter Weise Festkörperlasersysteme, inklusive Halbleiter- bzw. Diodenlaser, eingesetzt werden. Auch die Verwendung schmalbandiger Gaslaser wird hier durch möglich. Diese Lasersysteme sind in der Handhabung nicht so kompli ziert, sie sind preiswerter und kleiner in der Bauweise.

In gleicher Weise könnten frequenzverdoppelnde Lasersysteme sowie OPO's (optische Parametrische Oszillatoren) für die konfokale Rastermikroskopie Verwendung finden.

Zur konkreten Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mehrere Varianten vorgesehen.

In einer ersten Variante dient ein EOM (Electo-Optical-Modulator) als Modulationsmittel. Dieser EOM ist der Laserlichtquelle direkt nachgeordnet, so dass die von der Laserlichtquelle emittierte Laserstrahlung den EOM durchläuft. Der EOM kann die Phasenlage des Lichtfelds derart verändern, dass hierdurch eine Verbreiterung der spektralen Linienbreite der Laser strahlung erzielt wird. Hierbei könnte der EOM mit einem Rauschsignal, einem periodischen oder einem statistischen Signal beaufschlagt werden, wodurch spektrale Anteile dem Laserlicht aufmoduliert werden und wodurch sich die Linienbreite der Laserstrahlung bis zur Linienbreite des aufmodulierten Signals erhöht.

In einer zweiten Variante wird ein Spiegel, eine Linse oder ein Strahlteiler als Modulationsmittel verwendet. Auch dieses Modulationsmittel ist der Laser lichtquelle nachgeordnet. Es ist derart gelagert, dass es aufgrund von Vibra tionen oder Schwingungen des optischen Aufbaus bzw. des Gehäuses selbst vibriert oder schwingt. Hierbei könnte es sich im einfachsten Fall um eine Linse handeln, die in einer Linsenhalterung lediglich eingelegt jedoch nicht befestigt ist. Durch die leichten Vibrationen bzw. Schwingungen des Geräts, die ohnehin beispielsweise von Lüftern induziert werden, gelangt die Linse selbst in Schwingung. Der Spiegel, die Linse oder der Strahlteiler könnten auch mit Hilfe eines Stellelements bewegt werden. Das Stellelement könnte beispielsweise ein Piezoelement sein, das mit einem entsprechenden Stell signal beaufschlagt wird.

Durch die Schwingung, Vibration und/oder Bewegung des Modulationsmittels kann der optische Weg der Lichtstrahlung statistisch verändert werden, d. h. die Länge des optischen Wegs wird hierdurch statistisch variiert. Durch die statistische Variation des optischen Wegs ändern sich auch in dem vorgegebenen Zeitintervall gegebenenfalls auftretende Interferenzerscheinungen, so dass ein integraler Detektor - d. h. ein Detektor der beispielsweise die gesamte Lichtintensität innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls aufsummiert - die Interferenzerscheinung als solche nicht detektiert und demgemäß das Meßer gebnis auch nicht störend beeinflusst wird.

In einer dritten Variante ist vorgesehen, dass das Modulationsmittel die Laser lichtquelle beeinflusst. So könnte beispielsweise ein Modulationsmittel die Laserlichtquelle ein- und ausschalten. Dieser Ein- und Ausschaltvorgang müßte mindestens einmal innerhalb des vorgebbaren Zeitintervalls erfolgen. Das Ein- und Ausschalten könnte durch entsprechende Modulation des Pumpstroms des Lasers erfolgen, indem nämlich das Modulationsmittel bei spielsweise den Pumpstrom periodisch unterbricht. Ganz allgemein könnte vorgesehen sein, dass das Modulationsmittel den Pumpstrom des Lasers be einflußt. Hierbei könnte beispielsweise der Pumpstrom eines Diodenlasers sinusförmig moduliert werden, so dass die vom Diodenlaser emittierte Licht leistung sich ebenfalls periodisch ändert. Hierdurch könnte sich die Wellen länge des von dem Diodenlaser emittierten Lichts verändern, was bei einer konkreten Anwendung zu berücksichtigen ist.

Alternativ hierzu ist vorgesehen, dass die Intensität der Laserlichtquelle beein flusst wird. Dies könnte mit herkömmlichen Methoden der Intensitätsbeein flussung bei Laserlichtquellen erfolgen, beispielsweise durch Q-switching oder Cavity-dumping.

Weiterhin könnte das Modulationsmittel den Laserresonator oder das optische Medium des Lasers beeinflussen. Im Konkreten könnte vorgesehen sein, dass das Modulationsmittel als ein Piezoelement ausgestaltet ist, das mindestens ein Bauteil des Laserresonators und/oder das optische Medium bewegt und/oder deformiert. Im Konkreten könnte das Piezoelement direkt oder in direkt mit dem optischen Medium, beispielsweise mit dem Laserkristall, ver bunden sein. Durch eine entsprechenden Beschaltung des Piezoelements wird dann dessen Ausdehnung auf das optische Medium übertragen und so mit der Laser in seinem üblichen Betrieb gestört.

Ganz allgemein ist vorgesehen, dass das Modulationsmittel mit einem Signal beaufschlagt wird. Bei dem Signal könnte es sich um ein Rauschsignal, ein periodisches oder ein statistisches Signal handeln. Demgemäß könnte bei spielsweise das als EOM ausgestaltete Modulationsmittel mit einem Rausch signal, das als Stellelement ausgestaltete Modulationsmittel könnte mit einem statistischen Signal beaufschlagt werden. Zum Erzeugen des Rauschsignals könnte ein Rauschgenerator verwendet werden.

Im konkreten ist vorgesehen, das erfindungsgemäße Verfahren in einem konfokalen Rastermikroskop zu verwenden. Hierbei könnte es sich beispiels weise um ein konfokales Rastermikroskop zur Inspektion von Erzeugnissen der Halbleiterindustrie handeln. Ein konfokales Fluorenzenz-Laserscanning- Mikroskop oder ein doppelkonfokales Rastermikroskop käme ebenfalls in Frage.

Das vorgebbare Zeitintervall in dem das Modulationsmittel die Phasenlage des Lichtfelds variiert, wäre bei Verwendung des erfindungsgemäßen Ver fahrens in Verbindung mit einem konfokalen Rastermikroskop kürzer als die Pixel-Clock zu wählen. Unter dem Begriff Pixel-Clock wird bei der konfokalen Rastermikroskopie das Zeitintervall verstanden, bei dem die beim Abrastern des Objekts gemessenen Lichtintensitätswerte kumulativ einem Bildpunkt (Pixel) zugeordnet werden. Vorzugsweise wird das vorgebbare Zeitintervall kürzer als das der halben Pixel-Clock entsprechende Zeitintervall gewählt, um die im optischen Strahlengang gegebenenfalls auftretenden Interferenzerscheinungen sooft wie möglich während des vorgebbaren Zeitintervalls zu variieren. Hierdurch treten die Interferenzerscheinungen in einem nicht detektierbaren Umfang auf.

Die Modulation der Phasenlage des Lichtfelds wird mit dem Rastervorgang des konfokalen Rastermikroskops synchronisiert. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Vorgabe des Zeitintervalls, also beispielsweise der Pixel- Clock, zur erfolgreichen Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienlich. Ganz allgemein ist die Modultion der Phasenlage des Lichtfelds mit dem durchzuführenden Beleuchtungsvorgang eines Objekts synchronisierbar.

Eine durch die Modulation bedingte Veränderung der Wellenlänge des Laser- lichts wird in vorteilhafter Weise von der Steuereinheit eines AOTF's (Acousto- Optical-Tunable-Filter) oder eines AOBS's (Acousto-Optical-Beam-Splitter) berücksichtigt. Dieses Bauteil ist dazu vorgesehen, das Laserlicht in den opti schen Aufbau bzw. das konfokale Rastermikroskop einzukoppeln. Die Ein kopplung mit einem AOTF oder AOBS ist hierbei üblicherweise nur für einen begrenzten Wellenlängenbereich des Laserlichts eingestellt, so dass bei einer durch die Modulation bedingten Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts die Steuereinheit des AOTF's bzw. das AOBS's entsprechend zu verändern ist, um die Einkopplungseffizienz nicht herabzusetzen.

In gleicher Weise wäre die Berücksichtigung einer durch die Modulation be dingten Veränderung der Leistung des Laserlichts von der Steuereinheit eines das Laserlicht einkoppelnden AOTF's oder AOBS's denkbar. Somit kann auch hierdurch die Einkoppeleffizienz im wesentlichen konstant gehalten werden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und anderer seits auf die nachfolgende Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Er läuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Figur eine schematische Darstellung eines konfokalen Raster mikroskops, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren einge setzt wird.

Die Figur zeigt ein konfokales Rastermikroskop 1, bei dem ein Objekt mit Licht 2 einer Laserlichtquelle 3 beleuchtet wird.

Erfindungsgemäß wird die Phasenlage des Lichtfelds mit einem als EOM aus gebildeten Modulationsmittel 4 derart variiert, dass Interferenzerscheinungen im optischen Strahlengang innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls nicht oder nur in einem nicht detektierbaren Umfang auftreten.

Der EOM 4 ist der Laserlichtquelle 3 direkt nachgeordnet. Der EOM 4 wird mit einem statistischen Rauschsignal 5 beaufschlagt, so dass der EOM 4 durchlaufende Laserlicht 2 nach dessen Durchlauf eine verbreiterte spektrale Linienbreite aufweist und demgemäß als Licht 6 geringerer Kohärenzlänge in das konfokale Rastermikroskop 1 eingekoppelt wird. Zum Erzeugen des Rauschsignals 5 wird eine Rauschgenerator 7 verwendet.

Über die Verbindung 8 wird die Modulation des EOM 4 mit dem Rastervor gang des konfokalen Rastermikroskops 1 synchronisiert.

Abschließend sei ganz besonders darauf hingewiesen, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele lediglich zur Beschreibung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Bezugszeichenliste

1

konfokales Rastermikroskop

2

Licht von (

3

)

3

Laserlichtquelle

4

Modulationsmittel, EOM

5

Rauschsignal

6

das durch (

4

) variierte Licht

7

Rauschgenerator

8

Synchronisationsverbindung zwischen (

1

) und (

7

)

Claims

1. Verfahren zur Beleuchtung eines Objekts mit Licht (2) einer Laserlicht quelle (3), vorzugsweise in einem konfokalen Rastermikroskop (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenlage des Lichtfelds mit einem Modulationsmittel (4) derart variiert wird, dass Inter ferenzerscheinungen im optischen Strahlengang innerhalb eines vorgeb baren Zeitintervalls nicht oder nur in einem nicht detektierbaren Umfang auftreten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Modulationsmittel ein EOM (4) (Electro-Optical-Modulator) dient.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der EOM (4) direkt der Laserlichtquelle (3) nachgeordnet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Modulationsmittel (4) ein Spiegel, eine Linse oder ein Strahlteiler verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (4) derart gelagert ist, dass es aufgrund von Vibrationen oder Schwingungen des optischen Aufbaus oder des Gehäuses selbst vibriert oder schwingt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel (4) mit einem Stellelement bewegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Stell element ein Piezoelement ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel die Laserlichtquelle beeinflusst.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel die Laserlichtquelle ein- und ausschaltet.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel den Pumpstrom des Lasers beeinflusst.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel die Intensität der Laserlichtquelle beeinflusst.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel den Laserresonator oder das optische Medium des Lasers beeinflusst.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel ein Piezoelement ist, das mindestens ein Bauteil des Laserresonators und/oder das optische Medium bewegt und/oder de formiert.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsmittel mit einem Rauschsignal (5), einem periodi schen oder einem statistischen Signal (5) beaufschlagt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rausch generator (7) zum Erzeugen des Rauschsignals (5) verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem konfokalen Rastermikroskop (1),

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgeb bare Zeitintervall kürzer als die Pixel-Clock ist des konfokalen Raster mikroskops (1) ist, vorzugsweise kürzer als das der halben Pixel-Clock entsprechende Zeitintervall.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation mit dem Rastervorgang des konfokalen Raster mikroskops (1) synchronisiert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Modulation bedingte Veränderung der Wellenlänge des Laserlichts (6) von der Steuereinheit eines das Laserlicht einkoppeln den AOTF's (Acousto-Optical-Tunable-Filter) oder AOBS's (Acousto- Optical-Beam-Splitter) berücksichtigt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Modulation bedingte Veränderung der Leistung des Laserlichts (6) von der Steuereinheit eines das Laserlicht einkoppelnden AOTF's oder AOBS's berücksichtigt wird.