DE102007030814B4

DE102007030814B4 - Optisches Detektionsverfahren mittels Vielstrahlinterferenz

Info

Publication number: DE102007030814B4
Application number: DE200710030814
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: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2027-07-04
Also published as: DE102007030814A1

Abstract

Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach dem konfokalen Detektionsprinzip, bei dem Licht mindestens einer Wellenlänge aus einer oder mehreren bevorzugten Messebenen am Ort mindestens eines Vielstrahlinterferenz erzeugenden, das Licht nicht verstärkenden Elementes (1) im Stahlengang eines tiefendiskriminierenden optischen Aufbaus nach dem konfokalen Detektionsprinzip in besagtem Element (1) oder Elementen (1) eine konstruktive oder destruktive Interferenz erzeugt, deren Intensität von mindestens einem Detektor (11, 15) registriert wird und das besagte Vielstrahlinterferenz erzeugende Element (1) im Fall von Licht mindestens einer Wellenlänge aus dem oder den Messebenen eine bessere Transmission oder Reflektion aufweist als im Fall von davon mindestens geringfügig abweichenden Ebenen, und damit die Funktion der Detektionsblende in einem Sensor nach dem konfokalen Detektionsprinzip ersetzt.

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 Topometer findet man beispielsweise in dem Buch „Confocal Microscopy” von T. Wilson, Academic Press 1990.
Das konfokale Detektionsprinzip kommt in verschiedenen Anwendungen zum Einsatz, die sich in zwei Kategorien einteilen lassen. 1) Abbildung einer Ebene wobei durch die konfokale Detektion eine Abbildung mit starker Tiefendiskriminierung erzeugt wird. 2) Räumliche Strukturvermessung wobei eine Abbildung wie in Kategorie 1 mit einem Tiefenscan verbunden wird, um die Lage von Oberflächen- oder Volumenstrukturen im Raum zu bestimmen. Im Folgenden werden in Kategorie 1 fallende Geräte als „konfokale Mikroskope” und in Kategorie 2 fallende Geräte als „konfokale 3D-Messgeräte” bezeichnet. Ein konfokales 3D-Messgerät beinhaltet immer die Funktionalität eines konfokalen Mikroskops, geht in der Funktionalität jedoch darüber hinaus. Der optische Aufbau eines konfokalen 3D-Messgerätes kann dem eines konfokalen Mikroskops identisch sein und lediglich um eine mechanische Verstelleinheit ergänzt sein. 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.
Der Tiefenscan konfokaler 3D-Messgeräte kann entweder mechanisch erfolgen oder über wellenlängenabhängige optische Effekte. Letzteres wird als chromatisch konfokale Detektion bezeichnet. Bei der chromatisch konfokalen Detektion verändert sich die Lage der Messebene abhängig von der Wellenlänge. Dadurch werden zeitlich versetzt oder parallel mehrere Messebenen erzeugt. Um die Information aus den verschiedenen Messebenen voneinander trennen zu können, wird eine wellenlängenselektive Detektion z. B. mittels eines Spektrometers eingesetzt.
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). Die Anordnung entspricht damit in der Funktion einem konfokalen Sensor entsprechend 5b.
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 und die rechte Hälfte von (11) Licht detektiert. Die Anordnung entspricht damit in der Funktion einem konfokalen Sensor entsprechend 5c.
5a: Beispiel eines in Transmission arbeitenden konfokalen Mikroskops nach dem Stand der Technik. Eine Punktlichtquelle (100), in diesem Beispiel aus einer ausgedehnten Lichtquelle (101), einer Fokussierlinse (102) und einem Pinhole (103) als Raumfilter bestehend, wird Mittels eines Objektives (7) in die Messebene (108) abgebildet. Die Messebene (108) wird von der Detektionseinheit (104) mittels eines weiteren Objektives (105) auf einen Punktdetektor abgebildet, welcher aus einem Pinhole (106) und einem Photodetektor (107) mit ausgedehnter photosensitiver Fläche besteht.
5b: Beispiel eines in Reflexion arbeitenden konfokalen Mikroskops nach dem Stand der Technik. Das Licht einer Punktlichtquelle (100) wird mittels einer Linse (113) kollimiert, mittels eines Strahlteilers (6) umgelenkt und mittels eines Objektives (7) in die Messebene (108) fokussiert. Das vom Objekt (8) aus der Messebene (108) reflektierte Licht wird über Objektiv (7) und Fokussierlinse (105) auf das Pinhole (106) der Detektionseinheit (104) fokussiert.
5c: Beispiel eines in Reflexion arbeitenden konfokalen Mikroskops mit geteilter Apertur nach dem Stand der Technik. Eine Punktlichtquelle (100) wird mittels eines Objektivs (7) in die Messebene (108) abgebildet und die Messebene (108) mittels eines weiteren Objektivs (105) auf das Pinhole (106) der Detektionseinheit (104) abgebildet.
6a: Schematische Darstellung eines beispielhaften konfokalen 3D-Messgerätes mit mechanischem Tiefenscan nach dem Stand der Technik. Mittels einer mechanischen Verstelleinheit (111) wird das Objektiv (7) so bewegt, dass sich die Lage der Messebe (108) verändert.
6b: Schematische Darstellung eines beispielhaften chromatisch konfokalen 3D-Messgerätes nach dem Stand der Technik. Das Objektiv (7) des konfokalen 3D-Messgerätes erzeugt eine wellenlängenabhängige Längsaufspaltung des fokussierten Lichtes (102) und erzeugt damit mehrere Messebenen (108, 109, 110) in die jeweils Licht einer unterschiedlichen Wellenlänge fokussiert wird.

Claims

Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach dem konfokalen Detektionsprinzip, bei dem Licht mindestens einer Wellenlänge aus einer oder mehreren bevorzugten Messebenen am Ort mindestens eines Vielstrahlinterferenz erzeugenden, das Licht nicht verstärkenden Elementes (1) im Stahlengang eines tiefendiskriminierenden optischen Aufbaus nach dem konfokalen Detektionsprinzip in besagtem Element (1) oder Elementen (1) eine konstruktive oder destruktive Interferenz erzeugt, deren Intensität von mindestens einem Detektor (11, 15) registriert wird und das besagte Vielstrahlinterferenz erzeugende Element (1) im Fall von Licht mindestens einer Wellenlänge aus dem oder den Messebenen eine bessere Transmission oder Reflektion aufweist als im Fall von davon mindestens geringfügig abweichenden Ebenen, und damit die Funktion der Detektionsblende in einem Sensor nach dem konfokalen Detektionsprinzip ersetzt.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach Anspruch 1), bei dem das Messobjekt durch Verschieben des Messobjektes selbst oder Modifikation der Lage von der bzw. den Messebenen in verschiedene Positionen zu dem oder den Messebenen positioniert wird und die registrierten Intensitäten zur Abbildung der dreidimensionalen Struktur des Objektes verwendet werden.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 2), bei dem mindestens eine der besagten Vielstrahlinterferenz erzeugenden Elemente (1) sowohl Transmissions- wie auch ein Reflektionsverhalten aufweist und die Intensität von mindestens einem der daraus resultierenden Teilstrahlen mindestens einer Wellenlänge von mindestens einem Detektor (11, 15) registriert wird.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren 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.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 4), bei dem das zur Vermessung verwendete Licht in mindestens zwei Teilstrahlen aufgespalten und diese an mindestens einem Ort zur Interferenz gebracht werden.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1) bis 5), bei dem mindestens ein wellenlängenselektiver Detektor eingesetzt wird. 7) Tiefendiskriminierende optische Anordnung bei der mindestens eines der in den Ansprüchen 1) bis 6) aufgeführten Verfahrens zur Anwendung kommt, wobei die Anordung der Beleuchtung und Detektion zumindest näherungsweise einem tiefendiskriminierenden optischen Aufbau nach dem konfokalen Detektionsprinzip zur quantitativen dreidimensionalen Vermessung entspricht.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung nach Anspruch 7) die bezüglich des zu vermessenden Objektes in Transmission arbeitet.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung nach Anspruch 7) die bezüglich des zu vermessenden Objektes in Reflektion arbeitet.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach einer der Ansprüche 7) bis 9), bei dem im Objekt Selbstleuchten angeregt wird.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung nach einem der Ansprüche 7) bis 10), bei der mindestens eine der optischen Eigenschaften von mindestens einem der besagten Vielstrahlinterferenz erzeugenden Elemente (1) veränderbar ist.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach einem der Ansprüche 7) bis 11), bei dem die Messebene oder die Messebenen so gestaltet sind, dass aus einer einzigen Intensitätsmessung eine Präsenzaussage über ein oder mehrere Objekte in der oder den Messebenen getroffen werden kann.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach einem der Ansprüche 7) bis 12), bei dem zur Ermittlung der dreidimensionalen Struktur des zu vermessenden Objektes eine chromatische Aufspaltung des verwendeten Lichtes im Objektraum durchgeführt wird.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach einem der Ansprüche 7) 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.
Tiefendiskriminierendes optisches Verfahren nach einem der Ansprüche 7) bis 14), bei dem das Vielstrahlinterferenz erzeugende Element zur Filterung des zur Beleuchtung eingesetzten Lichtes verwendet wird.
Tiefendiskriminierende optische Anordnung nach einem der Ansprüche 7) bis 15) in einer Ausführung als Punkt-, Linien- oder Flächensensor.