DE102007030814A1

DE102007030814A1 - Optisches Verfahren mittels Vielstrahlinterferenz

Info

Publication number: DE102007030814A1
Application number: DE102007030814A
Authority: DE
Inventors: Aiko Ruprecht
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2027-07-04
Also published as: DE102007030814B4

Abstract

Zur Erzielung einer tiefendiskriminierenden Wirkung in einem Sensor nach dem konfokalen Prinzip werden im Allgemeinen mindestens eine Blende und eine Linse zur Abbildung der Blende benötigt. Der zur Abbildung notwendige Abstand zwischen Blende und Linse bedingt einen gewissen minimalen Bauraum, wodurch das Potential zur Miniaturisierung eines solchen Sensors begrenzt ist. Bei Verwendung eines Vielstrahlinterferenz erzeugenden Elements an Stelle der Kombination aus Blende und Linse ist der minimal notwendige Bauraum wesentlich kleiner und es kann somit ein wesentlich kleinerer Sensor aufgebaut werden, was beispielsweise bei Messungen in kleinen Bohrungen vorteilhaft ist.

Description

Stand der Technik
Das konfokale Detektionsprinzip wurde 1961 von Marvin Minski im Patent US3013467 beschrieben. Das wesentliche Funktionsprinzip besteht darin, dass das Licht aus der Messebene des konfokalen Topmeters am wenigsten von der in einer optisch konjugierten Ebene eingesetzten Lochblende beeinträchtigt wird. Licht aus anderen Ebenen wird dagegen stark von dieser Lochblende beeinträchtigt, so dass eine Tiefendiskriminierung erfolgt, die zur Ermittlung von dreidimensionalen Formen eingesetzt werden kann. Eine detaillierte Beschreibung und Bewertung der Parameter konfokaler Togometer findet man beispielsweise in dem Buch „Confocal Microscopy" von T. Wilson, Academic Press 1990. In allen Fällen wird eine punktförmige Lichtquelle in die Messebene abgebildet und diese wieder auf eine punktförmige Detektionsblende. Die Abbildung des Messpunktes auf die Detektionsblende benötigt einen gewissen Bauraum.
Die gebräuchlichste Form eines auf Vielstrahlinterferenz basierenden Filters ist das Fabry-Perot-Interferometer. In speziellen Ausführungen wird es auch als Etalon bezeichnet und in vielen optischen Messgeräten zur Wellenlängenselektion eingesetzt. So wird in der Veröffentlichung von Q. Shan et. al. „A conjugate optical confocal Fabry-Perot interferometer for enhanced ultrasound detection.", Meas. Sci. Technol. 6 (1995) eine Anwendung beschrieben, bei der die Schwingung eines Objektes mit optischer Messtechnik detektiert wird. Hier wird ausschließlich die Wellenlängenselektion durch das Etalon auswertet. In einer gebräuchlichen Anwendung von Fabry-Perot Interferometern wird das spektroskopisch zu untersuchende Licht leicht divergent auf das Interferometer gelenkt, wodurch sich mit Verwendung einer weiteren Linse hinter dem Fabry-Perot Interferometer Ringstrukturen in der Fokusebene dieser Linse bilden. Anhand der Radien dieser Ringstrukturen kann sehr genau auf die Wellenlängenzusammensetzung des verwendeten Lichtes geschlossen werden (siehe z. B.: J. W. Vaughan „The Fabry-Perot Interferometer: History, Theory and Applications", Bristol: Adam Hilger (1989)). Auch in dieser Anwendung wird ausschließlich der Wellenlängenselektive Charakter des Fabry-Perot Interferometers betrachtet und darüber hinaus nur statisch verwendet, wodurch sich die erfindungsgemäße Anwendung unterscheidet. In anderen Arbeiten (z. B. M. Erdélyi et al „Enhanced optical microlithography with a Fabry– Perot-based spatial filtering technique", Applied Optics 39 (7) (2000)) wurde ein Etalon als Raumfilter verwendet, was hier aber ausschließlich zur lateralen Filterung in einer nicht tiefendiskriminierenden optischen Abbildung angewendet wurde. In mehreren Publikationen wurde von konfokalen Abstandssensoren berichtet, bei denen eine Laserkavität zur Tiefendiskriminierung eingesetzt wird. Hierbei wird jedoch ein Lichtverstärkendes Medium zwischen den Resonatorspiegeln benötigt.
Beschreibung der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Miniaturisierung des notwendigen Bauraums robuster konfokaler Sensoren beispielsweise für die Topografiemessung in schwer zugänglichen Bohrungen.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Detektionsverfahren am Beispiel eines planen Etalons erläutert, ist aber mit der gleichen Argumentation auf alle Vielstrahlinterferenz erzeugende Objekte anwendbar. Ein Etalon (1) besteht aus zwei Spiegeln, die so zueinander angeordnet sind, dass der optische Weg zwischen den beiden Spiegeln konstant über der gesamten Spiegelfläche ist. Wie allgemein bei Vielstrahlinterferenz, entsteht bei einem Etalon (1) konstruktive Interferenz, wenn die durch Mehrfachreflexion an den Spiegeln entstehenden Teilstrahlen einen Gangunterschied von einem Vielfachen der halben Wellenlänge aufweisen. Im Fall von einem Etalon mit zwei Planspiegeln ist dies für das gesamte einfallende Licht der Fall, wenn die auf das Etalon treffende Wellenfront (3) eben ist und zwischen ihr und der Flächennormalen des Etalon ein Winkel besteht, unter dem der optische Weg zwischen den Spiegeln einem vielfachen der halben Wellenlänge entspricht. In diesem Fall ist ein ideal verlustfreies Etalon zu 100% transparent. Weicht die einfallende Wellenfront (3) von diesen Bedingungen ab, nimmt die Transparenz des Etalons (1) ab und das Licht wird reflektiert (5). Die Abweichung kann dabei sowohl durch eine Veränderung der Wellenlänge als auch durch eine Veränderung der Wellenfront erfolgen. Der erfindungsgemäße Einsatz eines solchen Etalons, oder eines anderen Vielstrahlinterferenz erzeugenden Elementes, besteht darin, über den Transmissionsgrad bzw. Reflektionsgrad Veränderungen in der Wellenfront zu detektieren. Dies soll dazu verwendet werden, um eine Tiefendiskriminierung zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird dafür besagtes Etalon in einem Bereich eines optischen Abbildungssystems positioniert, in dem im Falle einer Abbildung ohne Defokus eine ebene Wellenfront entsteht und wird so ausgerichtet, dass eine hohe Transmissivität des Etalons erreicht wird. Durch eine Höhenverschiebung des Objektes wird in die optische Abbildung ein Defokus eingeführt, durch den auf das plane Etalon keine ebene Welle sondern eine gekrümmte Wellenfront einfällt. Dies hat zur Folge, dass die beschriebene Bedingung für konstruktive Interferenz zumindest teilweise verletzt wird und damit die Transmissivität des Etalons abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einer Zunahme der Reflektivität des Etalons. Allgemein wird ein Vielstrahlinterferenz erzeugendes Element erfindungsgemäß an einer Stelle im Strahlengang eingesetzt, bei dem zumindest näherungsweise ein Extremwert im mathematischen Sinne für die Intensität des von besagtem Element transmittierten oder reflektierten Lichts entsteht und ein Defokus diese Bedingung verletzt. Bei dem Extremwert muss es sich nicht um ein absolutes Maximum oder Minimum handeln. Detektiert man das transmittierte Licht, das reflektierte Licht oder beide Komponenten, kann man, bei Durchführung eines Tiefenscan bezüglich des Objektes, Rückschlüsse auf Objektlagen mit zumindest lokal geringstem Defokus ziehen. Darüber kann man wiederum Aussagen über die dreidimensionale Struktur des Objektes gewinnen. Der erfindungsgemäße Einsatz kann auch in einem optischen Aufbau realisiert werden, in dem keine scharfe Abbildung stattfindet, sondern das vom Vielstrahlinterferenz erzeugenden Element transmittierte oder reflektierte Licht von einem oder mehreren Detektoren im Bereich des jeweiligen Detektors integral gemessen wird.
Beschreibung der Figuren
1a: Eine auf ein planes Etalon (1) einfallende ebene Wellenfront (3) und Stahlverlauf (4) nach Transmission durch das Etalon (1).
1b: Auf ein ebenes Etalon (1) einfallende divergente Wellenfront (3), Strahlverlauf des transmittierten Lichtes (4) und des reflektierten Lichtes (5).
2: Kollimiertes Licht (5) wird durch ein Objektiv (7) auf eine reflektierende Oberfläche (8) fokussiert. Das reflektierte und rekollimierte Licht (3) trifft über einen Strahlteiler (6) auf ein schräg gestelltes planes Etalon (1). Je nach Defokuszustand des Lichtes (3) wird ein Teil transmittiert (4) oder reflektiert (12). Über Linsen wird das Licht auf Detektoren (11, 15) fokussiert. Mit dieser konfokalen Anordnung werden zwei Intensitäten gemessen, mittels denen eine Aussage über den Defokuszustand des reflektierten Lichtes getroffen werden kann.
3: Kompakte erfindungsgemäße konfokale Detektionsanordnung, bei der das Licht einer räumlich inkohärenten Lichtquelle (18) mittels eines Etalons (19) räumlich gefiltert wird (5) und mit einem Objektiv (7) auf eine reflektierende Oberfläche (8) fokussiert wird. Das reflektierte Licht wird durch das Objektiv (7) rekollimiert, über einen Strahlteiler (6) auf ein planes Etalon (1) geleitet und trifft zumindest teilweise auf den dahinter angeordneten Detektor (11).
4: Kompakte erfindungsgemäße Detektionsanordnung, bei der von einer Oberfläche (8) ausgehendes oder reflektiertes Licht (3) auf ein sphärisches Etalon (1) trifft. Licht, das senkrecht auf das Etalon auftrifft, wird transmittiert (4) und gelangt auf den Detektor (11). In dieser Anordnung kann z. B. die Hälfte des Sensors links der optischen Achse (2) zur Beleuchtung genutzt werden, indem die linke Hälfte von (11) Licht emittiert. Die Anordnung entspricht damit einem konfokalen Sensor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 3013467 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Buch „Confocal Microscopy" von T. Wilson, Academic Press 1990 [0001]
- Veröffentlichung von Q. Shan et. al. „A conjugate optical confocal Fabry-Perot interferometer for enhanced ultrasound detection.", Meas. Sci. Technol. 6 (1995) [0002]
- J. W. Vaughan „The Fabry-Perot Interferometer: History, Theory and Applications", Bristol: Adam Hilger (1989) [0002]
- M. Erdélyi et al „Enhanced optical microlithography with a Fabry– Perot-based spatial filtering technique", Applied Optics 39 (7) (2000) [0002]

Claims

Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren, bei dem Licht mindestens einer Wellenlänge aus einem oder mehreren bevorzugten Messbereichen am Ort mindestens eines Vielstrahlinterferenz erzeugenden, das Licht nicht verstärkenden Elementes im Strahlengang eines optischen Aufbaus in besagtem Element oder Elementen eine konstruktive oder destruktive Interferenz erzeugt, deren Intensität von mindestens einem Detektor registriert wird und das besagte Vielstrahlinterferenz erzeugende Element im Fall von Licht mindestens einer Wellenlänge aus dem oder den Messbereichen eine bessere Transmission oder Reflektion aufweist als im Fall von davon mindestens geringfügig abweichenden Bereichen.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1), bei dem das Messobjekt durch Verschieben des Objektes oder der bzw. den Messbereichen in verschiedene Positionen zu dem oder den Messbereichen positioniert wird und die registrierten Intensitäten zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur des Objektes verwendet werden.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 2), bei dem mindestens eine der besagten Vielstrahlinterferenz erzeugenden Elemente sowohl Transmissions- wie auch ein Reflektionsverhalten aufweist und die Intensität von mindestens einem der daraus resultierenden Teilstahlen mindestens einer Wellenlänge von mindestens einem Detektor registriert wird.
Tiefendiskriminierendes optisches Detektionsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 3), bei dem das zur Messung verwendete Licht an mindestens einer Stelle im Strahlengang mit mindestens einer Referenzwelle mindestens einer Wellenlänge zur Interferenz gebracht wird.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 4), bei dem das zur Vermessung verwendete Licht in mindestens zwei Teilstrahlen aufgespaltet und diese an mindestens einem Ort zur Interferenz gebracht werden.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 5), bei dem mindestens ein Wellenlängenselektiver Detektor eingesetzt wird.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 6) das in der Art der Beleuchtung und Detektion zumindest näherungsweise einem konfokalen Detektor entspricht.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 7) das bezüglich des zu vermessenden Objektes in Transmission arbeitet.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 7) das bezüglich des zu vermessenden Objektes in Reflektion arbeitet.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 9), bei dem im Objekt Selbstleuchten angeregt wird.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 10), bei dem mindestens eine der optischen Eigenschaften von mindestens einem der besagten Vielstrahlinterferenz erzeugenden Elemente veränderbar ist.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 11), bei dem der oder die Messbereiche so gestaltet sind, dass aus einer einzigen Intensitätsmessung eine Präsenzaussage über ein oder mehrere Objekte in dem oder den Messbereichen getroffen werden kann.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 12), bei dem zur Ermittlung der dreidimensionalen Struktur des zu vermessenden Objektes eine chromatische Aufspaltung des verwendeten Lichtes durchgeführt wird.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 13), bei dem ein Teil der Apertur des optischen Systems zur Beleuchtung und ein anderer Teil der Apertur des optischen Systems zur Detektion verwendet wird.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 14), bei dem das Vielstrahlinterferenz erzeugende Element zur Filterung des zur Beleuchtung eingesetzten Lichtes verwendet wird.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung und Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 15) in einer Ausführung als Punkt-, Linien- oder Flächensensor.