DE102024118277A1 - Method and device for measuring distance and thickness - Google Patents
Method and device for measuring distance and thicknessInfo
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Messung des Abstands zu einem transparenten Objekt (30) und zur Messung der Dicke des transparenten Objekts (30) erzeugt eine Lichtquelle (12) Messlicht, das in Referenzlicht und in Objektlicht aufgeteilt wird, das in einen Referenzarm (16) bzw. in einen Objektarm (18) geleitet wird. Eine erste Interferenz von einem Referenzlichtanteil des Referenzlichts, der im Referenzarm (16) reflektiert wurde, mit einem Objektlichtanteil des Objektlichts, der im Objektarm (18) von dem Objekt (30) reflektiert wurde, wird von einem ersten Spektrometer (36; 36a) erfasst, wodurch ein erstes Spektrum erhalten wird. Eine zweite Interferenz von dem Referenzlichtanteil und dem Objektlichtanteil wird von einem zweiten Spektrometer (36; 36b) erfasst, das identisch mit dem ersten Spektrometer (36) sein kann, wobei eine Phase des Referenzlichtanteils gegenüber einer Phase des Objektlichtanteils um einen Betrag φ verschoben ist. Dadurch wird ein zweites Spektrum erhalten. Zur Dickenmessung wird das erste Spektrum zu dem zweiten Spektrum addiert und die Summe der Spektren einer Fourier-Transformation unterworfen. Zur Abstandsmessung wird das erste Spektrum von dem zweiten Spektrum subtrahiert und die Differenz der Spektren einer Fourier-Transformation unterworfen.
In a method for measuring the distance to a transparent object (30) and for measuring the thickness of the transparent object (30), a light source (12) generates measuring light, which is split into reference light and object light, directed into a reference arm (16) and an object arm (18), respectively. A first interference of a reference light component reflected in the reference arm (16) with an object light component reflected from the object (30) in the object arm (18) is detected by a first spectrometer (36; 36a), yielding a first spectrum. A second interference of the reference light component and the object light component is detected by a second spectrometer (36; 36b), which may be identical to the first spectrometer (36), except that the phase of one reference light component is shifted relative to the phase of one object light component by an amount φ. This yields a second spectrum. To measure thickness, the first spectrum is added to the second spectrum, and the sum of the spectra is subjected to a Fourier transform. To measure distance, the first spectrum is subtracted from the second spectrum, and the difference in the spectra is subjected to a Fourier transform.
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Abstands zu einem transparenten Objekt und zur Messung der Dicke des transparenten Objekts unter Verwendung der SD OCT, wobei SD das Akronym für Spectral Domain und OCT das Akronym für optical coherence tomography (optischer Kohärenztomografie) ist.The invention relates to a method and a device for measuring the distance to a transparent object and for measuring the thickness of the transparent object using SD OCT, where SD is the acronym for Spectral Domain and OCT is the acronym for optical coherence tomography.
2. Beschreibung des Standes der Technik2. Description of the state of the art
Zur Messung von Oberflächen- und Dickenprofilen von Werkstücken und anderen Objekten werden seit einigen Jahren zunehmend Vorrichtungen eingesetzt, die auf dem Prinzip der SD OCT beruhen. Diese Vorrichtungen messen berührungslos an einzelnen Messpunkten den Abstand zu einer streuenden oder zumindest teilweise reflektieren Oberfläche des Objekts, wenn sie über einen Referenzarm verfügen. Wiederholt man diese Messung an einer Vielzahl von Messpunkten, erhält man ein Oberflächenprofil des Objekts.For measuring the surface and thickness profiles of workpieces and other objects, devices based on the principle of SD OCT have been increasingly used for several years. These devices measure the distance to a scattering or at least partially reflective surface of the object at individual measuring points without contact, provided they have a reference arm. Repeating this measurement at a large number of measuring points yields a surface profile of the object.
Wenn das Objekt für das Messlicht ausreichend transparent ist, können auch die Dicken zwischen streuenden oder reflektierenden Grenzflächen, die das Objekt begrenzen oder sich innerhalb des Objekts befinden, mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Eine Messung an mehreren Messpunkten liefert dann entsprechend ein Dickenprofil. Werden Abstands- und Dickenmessung kombiniert, lässt sich z.B. überprüfen, ob die Oberfläche eines beschichteten Werkstücks die gewünschte Form hat und die Dicke der Beschichtung überall konstant ist.If the object is sufficiently transparent to the measuring light, the thicknesses between scattering or reflecting interfaces that define the object or are located within the object can also be measured with high accuracy. A measurement at multiple points then yields a corresponding thickness profile. Combining distance and thickness measurements allows, for example, verification that the surface of a coated workpiece has the desired shape and that the coating thickness is constant throughout.
Die ersten Vorrichtungen dieser Art konnten den Abstand nur für einen einzigen Messpunkt bestimmen. Um eine Fläche abzutasten, musste der Messkopf relativ zum Werkstück (oder umgekehrt) bewegt werden. Aus der
SD OCT Vorrichtungen erzeugen Roh-Messdaten in Form von Interferenzspektren, aus denen die gewünschten Abstands- oder Dickenwerte durch Fourier-Transformation abgeleitet werden. Jedem Abstands- oder Dickenwert entspricht dabei ein Peak, der auf einem Anzeigegerät dargestellt werden kann.SD OCT devices generate raw measurement data in the form of interference spectra, from which the desired distance or thickness values are derived by Fourier transformation. Each distance or thickness value corresponds to a peak that can be displayed on a screen.
Wenn beispielsweise mit einer SD OCT Vorrichtung, die einen Referenzarm enthält, Abstände und Dicken einer Glasplatte gemessen werden sollen, gibt es drei Peaks, nämlich zwei für die Abstände zu den beiden Grenzflächen der Platte und einen Peak für deren Dicke. Wenn man die Glasplatte parallel zur Richtung des Messstrahls verfährt, wandern die beiden Abstandspeaks, während der Dickenpeak ortsfest bleibt, da die Dicke der Glasplatte sich durch deren Bewegung nicht verändert. Auf diese Weise kann man die angezeigten Peaks relativ leicht den zu messenden Größen zuordnen. Alternativ dazu kann bei einigen Vorrichtungen dieser Art die Lichtausbreitung im Referenzarm des OCT unterbrochen werden. Dann können nur noch Reflexe interferieren, die vom Objekt kommen. Die Abschaltung des Referenzarms bewirkt somit, dass nur noch die Dickenpeaks angezeigt werden, während alle Abstandspeaks verschwinden.For example, if an SD OCT device with a reference arm is used to measure the distances and thicknesses of a glass plate, three peaks will appear: two for the distances to the two surfaces of the plate and one for its thickness. When the glass plate is moved parallel to the direction of the measurement beam, the two distance peaks move, while the thickness peak remains stationary, as the thickness of the glass plate does not change due to the movement. In this way, the displayed peaks can be relatively easily correlated with the quantities being measured. Alternatively, in some devices of this type, the light propagation in the OCT's reference arm can be interrupted. Then, only reflections from the object can interfere. Switching off the reference arm thus causes only the thickness peaks to be displayed, while all distance peaks disappear.
Soll ein Objekt mit einer SD OCT Vorrichtung, die einen Referenzarm enthält, vermessen werden, das aus zwei Schichten besteht, gibt es bereits sechs Peaks, die den zu messenden Größen zugeordnet werden müssen, nämlich drei Abstandspeaks und drei Dickenpeaks (jeweils ein Dickenpeak für jede Platte und ein Dickenpeak für die die Gesamtdicke des Schichtensystems). Bei einem Schichtsystem aus drei Schichten entstehen vier Abstands- und sechs Dickenpeaks, usw.If an object consisting of two layers is to be measured with an SD OCT device containing a reference arm, there are already six peaks that must be assigned to the quantities to be measured: three distance peaks and three thickness peaks (one thickness peak for each layer and one thickness peak for the total thickness of the layer system). With a layer system consisting of three layers, there are four distance peaks and six thickness peaks, and so on.
Vor allem bei mehrschichtigen Objekten kann es sehr mühsam sein, mit den oben beschriebenen Maßnahmen, nämlich Bewegen des Objekts und/oder Abblenden des Referenzarms, die angezeigten Peaks den gesuchten Abständen und Dicken zuzuordnen. Insbesondere ist es nicht möglich, sich nur die Abstandspeaks anzeigen zu lassen und die Dickenpeaks zu unterdrücken. Weiter erschwert wird die Zuordnung, wenn zusätzliche Peaks hinzutreten, die durch Doppelreflektionen an Grenzflächen des Objekts entstehen.Especially with multi-layered objects, it can be very tedious to assign the displayed peaks to the desired distances and thicknesses using the measures described above, namely moving the object and/or stopping down the reference arm. In particular, it is not possible to display only the distance peaks and suppress the thickness peaks. The assignment is further complicated when additional peaks appear, caused by double reflections at the object's interfaces.
Außerdem können sich Dicken- und Abstandspeaks ganz oder teilweise überlappen, so dass sie schlecht aufgelöst oder überhaupt nicht erkannt werden können.Furthermore, thickness and distance peaks can overlap completely or partially, so that they may be poorly resolved or not detected at all.
Aus
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung des Abstands zu einem transparenten Objekt und zur Messung der Dicke des transparenten Objekts unter Nutzung der SD OCT anzugeben, bei dem sich auch im Falle eines mehrschichtigen Objekts die gemessenen Peaks einfacher den zu messenden Abständen und Dicken zuordnen lassen.The object of the invention is to provide a method for measuring the distance to a transparent object and for measuring the thickness of the transparent object using SD OCT, in which, even in the case of a multi-layered object, the measured peaks can be more easily assigned to the distances and thicknesses to be measured.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten:
- a) eine Lichtquelle erzeugt Messlicht;
- b) das Messlicht wird in Referenzlicht und in Objektlicht aufgeteilt;
- c) das Referenzlicht wird in einen Referenzarm und das Objektlicht in einen Objektarm geleitet;
- d) es wird eine erste Interferenz von einem Referenzlichtanteil des Referenzlichts, der im Referenzarm von einem feststehenden Reflektor reflektiert wurde, mit einem Objektlichtanteil des Objektlichts, der im Objektarm von dem Objekt reflektiert wurde, von einem ersten Spektrometer erfasst, wodurch ein erstes Spektrum erhalten wird;
- e) es wird eine zweite Interferenz von dem Referenzlichtanteil und dem Objektlichtanteil von einem zweiten Spektrometer erfasst, das identisch mit dem ersten Spektrometer sein kann, wobei eine Phase des Referenzlichtanteils gegenüber einer Phase des Objektlichtanteils um einen Betrag φ verschoben ist, wodurch ein zweites Spektrum erhalten wird;
- f) zur Dickenmessung wird das erste Spektrum zu dem zweiten Spektrum addiert und die Summe der Spektren einer Fourier-Transformation unterworfen;
- g) zur Abstandsmessung wird das erste Spektrum von dem zweiten Spektrum subtrahiert und die Differenz der Spektren einer Fourier-Transformation unterworfen.
- a) a light source produces measuring light;
- b) the measuring light is split into reference light and object light;
- c) the reference light is directed into a reference arm and the object light into an object arm;
- d) a first interference of a reference light component that was reflected in the reference arm by a stationary reflector with an object light component that was reflected in the object arm by the object is detected by a first spectrometer, thereby obtaining a first spectrum;
- e) A second interference of the reference light component and the object light component is recorded by a second spectrometer, which may be identical to the first spectrometer, wherein a phase of the reference light component is shifted relative to a phase of the object light component by an amount φ, thereby obtaining a second spectrum;
- f) For thickness measurement, the first spectrum is added to the second spectrum and the sum of the spectra is subjected to a Fourier transformation;
- g) To measure the distance, the first spectrum is subtracted from the second spectrum and the difference between the spectra is subjected to a Fourier transformation.
Je näher der Betrag φ der Phasenverschiebung bei π liegt, desto mehr unterscheiden sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die in den Schritten f) und g) erhaltenen Ergebnisse. Im Idealfall, d.h. wenn φ = π ist und die beiden Spektren normiert sind, werden bei der Dickenmessung in Schritt f) ausschließlich die Dickenpeaks ausgegeben und bei der Abstandsmessung in Schritt g) ausschließlich die Abstandspeaks. Um die Peaks unterscheiden zu können, ist häufig jedoch keine vollständige Unterdrückung der jeweils unerwünschten Peaks erforderlich. Es genügt, wenn die unerwünschten Peaks so schwach sind, dass sich die erwünschten Peaks eindeutig identifizieren lassen. Selbst dann, wenn die Phasenverschiebung φ nur ungefähr π beträgt und z.B. zwischen 0.9·π und 1.1·π liegt, erhält man noch eine sehr gute Unterdrückung der jeweils unerwünschten Peaks. Bei sehr guter Normierung der Spektren können auch noch größere Abweichungen von π toleriert werden, z.B. 0.6·π < φ < 1.4·π. Da sich die Einstellung einer Phasenverschiebung von π technisch leicht erzielen lässt, wird man in der Regel versuchen, die Abweichung der Phasenverschiebung von π gering zu halten.The closer the magnitude φ of the phase shift is to π, the more the results obtained in steps f) and g) of the inventive method differ. Ideally, i.e., when φ = π and the two spectra are normalized, only the thickness peaks are output in step f) for the thickness measurement, and only the distance peaks are output in step g) for the distance measurement. However, to distinguish the peaks, complete suppression of the unwanted peaks is often not necessary. It is sufficient if the unwanted peaks are so weak that the desired peaks can be clearly identified. Even if the phase shift φ is only approximately π and lies, for example, between 0.9π and 1.1π, very good suppression of the unwanted peaks is still achieved. With very good spectral normalization, even larger deviations from π can be tolerated, e.g., 0.6·π < φ < 1.4·π. Since setting a phase shift of π is technically easy to achieve, one will generally try to keep the deviation of the phase shift from π small.
Anschaulich lässt sich die Erfindung so erklären, dass sich die Interferenzmuster, an denen der Referenzlichtanteil beteiligt ist, aufgrund der zwischen dem Referenzlichtanteil und dem Objektlichtanteil eingeführten Phasenverschiebung zu einer Konstante addieren. Dies führt nach der Fourier-Transformation zu einer Auslöschung der Abstandspeaks, so dass nur die Dickenpeaks übrigbleiben. Bei einer Subtraktion der Spektren heben sich hingegen die Interferenzen, zu denen der Referenzlichtanteil nicht beiträgt, gegenseitig auf, was zu einer Unterdrückung der Dickenpeaks führt.The invention can be explained intuitively as follows: the interference patterns involving the reference light component add up to a constant due to the phase shift introduced between the reference light component and the object light component. After the Fourier transform, this leads to the cancellation of the distance peaks, leaving only the thickness peaks. Conversely, when the spectra are subtracted, the interferences to which the reference light component does not contribute cancel each other out, resulting in the suppression of the thickness peaks.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das erste Spektrometer identisch mit dem zweiten Spektrometer, d.h. es wird nur ein einziges Spektrometer eingesetzt. Die beiden Spektren lassen sich dann zeitlich hintereinander erzeugen, indem ein schaltbarer Phasenschieber, der im Referenzarm oder im Objektarm angeordnet ist, intermittierend die Phase um π verschiebt. Alternativ können sowohl im Referenzarm als auch im Objektarm Phasenschieber angeordnet sein, welche die Phasen so verschieben, dass insgesamt die gewünschte relative Phasenverschiebung um den Betrag φ entsteht. Das (einzige) Spektrometer erfasst die erste und die zweite Interferenz somit hintereinander.In one embodiment, the first spectrometer is identical to the second spectrometer; that is, only a single spectrometer is used. The two spectra can then be generated sequentially by an intermittently switching the phase by π using a switchable phase shifter located in either the reference or object arm. Alternatively, phase shifters can be arranged in both the reference and object arms, shifting the phases to achieve the desired relative phase shift of φ. The (single) spectrometer thus captures the first and second interference sequentially.
Allerdings benötigt eine solche serielle Messung der beiden Spektren Zeit. Zudem müssen der oder die Phasenschieber bei hohen Messfrequenzen sehr schnell umschalten können, was technologisch anspruchsvoll ist. Diese Variante ist daher gut für statische, weniger aber für schnelle scannende Messungen geeignet.However, such a serial measurement of the two spectra takes time. Furthermore, the phase shifter(s) must be able to switch very quickly at high measurement frequencies, which is technologically demanding. This variant is therefore well-suited for static measurements, but less so for fast scanning measurements.
Bevorzugt ist deswegen ein Ausführungsbeispiel, bei dem das erste Spektrometer von dem zweiten Spektrometer verschieden ist. Das Messlicht wird in Schritt b) von einem Strahlteiler in Referenzlicht und in Objektlicht aufgeteilt, der den Referenzarm und den Objektarm einerseits mit dem ersten Spektrometer und dem zweiten Spektrometer andererseits optisch verbindet.A preferred embodiment therefore includes a configuration in which the first spectrometer is different from the second spectrometer. In step b), the measuring light is split into reference light and object light by a beam splitter, which optically connects the reference arm and the object arm to the first spectrometer and the second spectrometer, respectively.
Auf diese Weise können die beiden Interferenzen mit und ohne Phasenverschiebung gleichzeitig von den Spektrometern erfasst und als Spektren ausgegeben werden. Dadurch ist die Messung genauso schnell wie eine Messung mit einer herkömmlichen SD OCT Vorrichtung. Vorteilhaft ist ferner die Tatsache, dass keine schaltbaren Phasenschieber benötigt werden. Stattdessen werden ohnehin benötige Strahlteiler für die Phasenverschiebung genutzt, da Strahlteiler die gewünschte Eigenschaft, eine Phasenverschiebung von π zu erzeugen, bereits von Hause aus mitbringen. Dies gilt sowohl für Strahlteiler in Form von Strahlteilerwürfeln, wie sie bei einer Lichtausbreitung als Freistrahl eingesetzt werden, als auch für faseroptische Strahlteiler wie z.B. herkömmliche 3 dB Faserkoppler.In this way, the two interferences, with and without phase shift, can be simultaneously recorded by the spectrometers and output as spectra. This makes the measurement just as fast as a measurement with a [previous method/method - context needed]. conventional SD OCT device. A further advantage is that no switchable phase shifters are required. Instead, beam splitters, which are needed anyway, are used for the phase shift, since beam splitters inherently possess the desired property of generating a phase shift of π. This applies both to beam splitters in the form of beam splitter cubes, as used for free-ray light propagation, and to fiber optic beam splitters such as conventional 3 dB fiber couplers.
Um den apparativen Aufwand zu reduzieren, kann bei diesem Ausführungsbeispiel ein Gerät zur Erfassung der Interferenzen eingesetzt werden, bei dem das erste Spektrometer und das zweite Spektrometer in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind und ein gemeinsames dispersives optisches Element nutzen, das auftreffendes Licht spektral zerlegt und auf unterschiedliche Zeilen lichtempfindlicher Zellen richtet.To reduce the equipment required, in this embodiment a device for detecting interferences can be used in which the first spectrometer and the second spectrometer are integrated in a common housing and use a common dispersive optical element that spectrally decomposes incident light and directs it onto different rows of light-sensitive cells.
In den Schritten d) und e) kann das Objektlicht mit Hilfe einer Scaneinrichtung über das Objekt geführt werden. Vorzugsweise lenkt die Scaneinrichtung das Objektlicht nicht nur in einer, sondern in zwei Raumrichtungen ab, so dass Oberflächen von Objekten sehr schnell abgetastet werden können.In steps d) and e), the object light can be guided over the object using a scanning device. Preferably, the scanning device deflects the object light not only in one, but in two spatial directions, so that the surfaces of objects can be scanned very quickly.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine für die Ausführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben. Eine diese Aufgabe lösende Vorrichtung umfasst:
- a) eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, Messlicht zu erzeugen,
- b) einen Referenzarm mit einem feststehenden Reflektor, in dem ein erster Teil des Messlichts als Referenzlicht geführt wird,
- c) einen Objektarm, in dem ein zweiter Teil des Messlichts als Objektlicht geführt wird,
- d) ein erstes Spektrometer, das dazu eingerichtet ist, eine erste Interferenz von einem Referenzlichtanteil des Referenzlichts, der im Referenzarm von dem Reflektor reflektiert wurde, mit einem Objektlichtanteil des Objektlichts, der im Objektarm von dem Objekt reflektiert wurde, zu erfassen, wodurch ein erstes Spektrum erhalten wird,
- e) ein zweites Spektrometer, das identisch mit dem ersten Spektrometer sein kann, wobei das zweite Spektrometer dazu eingerichtet ist, eine zweite Interferenz von dem Referenzlichtanteil und dem Objektlichtanteil zu erfassen, wobei eine Phase des Referenzlichtanteils gegenüber einer Phase des Objektlichtanteils um einen Betrag φ verschoben ist, wodurch ein zweites Spektrum erhalten wird, und
- f) eine Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist,
- - zur Dickenmessung das erste Spektrum zu dem zweiten Spektrum zu addieren und die Summe der Spektren einer Fourier-Transformation zu unterwerfen und
- - zur Abstandsmessung das erste Spektrum von dem zweiten Spektrum zu subtrahieren und die Differenz der Spektren einer Fourier-Transformation zu unterwerfen.
- a) a light source designed to produce measuring light,
- b) a reference arm with a fixed reflector in which a first part of the measuring light is guided as a reference light,
- c) an object arm in which a second part of the measuring light is guided as object light,
- d) a first spectrometer designed to detect a first interference of a reference light component reflected in the reference arm from the reflector with an object light component reflected in the object arm from the object, thereby obtaining a first spectrum,
- e) a second spectrometer, which may be identical to the first spectrometer, wherein the second spectrometer is configured to detect a second interference of the reference light component and the object light component, wherein a phase of the reference light component is shifted relative to a phase of the object light component by an amount φ, thereby obtaining a second spectrum, and
- f) a computing unit designed to
- - to measure thickness, add the first spectrum to the second spectrum and subject the sum of the spectra to a Fourier transform and
- - to measure the distance, subtract the first spectrum from the second spectrum and subject the difference of the spectra to a Fourier transformation.
Die oben für das Verfahren geschilderten Vorteile und Varianten gelten für die Vorrichtung entsprechend.The advantages and variations described above for the process apply accordingly to the device.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
-
1 eine SD OCT Messvorrichtung gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Darstellung; -
2 mehrere Graphen zur Illustration wesentlicher Schritte bei der Auswertung der Messdaten; -
3 mehrere Abstands- und Dickenpeaks, wie sie von der in der1 gezeigten Messvorrichtung angezeigt werden; -
4 eine an die1 angelehnte Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Spektrometer; -
5a das ohne Phasenverschiebung von der in der4 gezeigten Messvorrichtung gemessene Spektrum; -
5b die Abstands- und Dickenpeaks, die sich aus dem in der5a gezeigten ersten Spektrum nach Durchführung einer Fourier-Transformation ergeben; -
6a das mit Phasenverschiebung von der in der4 gezeigten Messvorrichtung gemessene Spektrum; -
6b die Abstands- und Dickenpeaks, die sich aus dem in der6a gezeigten ersten Spektrum nach Durchführung einer Fourier-Transformation ergeben; -
7a die Summe der beiden in den5a und6a gezeigten Spektren; -
7b der Dickenpeak, der sich aus dem in der7a gezeigten Summenspektrum ergibt; -
8a die Differenz der beiden in den5a und6a gezeigten Spektren; -
8b die Abstandspeaks, die sich aus dem in der8a gezeigten Differenzspektrum ergeben; -
9 eine an die4 angelehnte Darstellung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit zwei Spektrometern; und -
10 eine schematische Darstellung eines Geräts, bei dem zwei Spektrometer mit einem gemeinsamen dispersiven optischen Element in einem Gehäuse vereint.
-
1 an SD OCT measuring device according to the state of the art in a schematic representation; -
2 Several graphs to illustrate essential steps in the evaluation of the measurement data; -
3 several distance and thickness peaks, as seen from the one in the1 The measuring device shown will be displayed; -
4 one to1 Adapted representation of a measuring device according to the invention in a first embodiment with a spectrometer; -
5a that without phase shift from the one in the4 Spectrum measured by the measuring device shown; -
5b the distance and thickness peaks that result from the in the5a The first spectrum shown is obtained after performing a Fourier transformation; -
6a that with phase shift from the one in the4 Spectrum measured by the measuring device shown; -
6b the distance and thickness peaks that result from the in the6a The first spectrum shown is obtained after performing a Fourier transformation; -
7a the sum of the two in the5a and6a shown spectra; -
7b the thickness peak, which results from the in the7a the sum spectrum shown; -
8a the difference between the two in the5a and6a shown spectra; -
8b the distance peaks that result from the in the8a shown difference spectrum; -
9 one to4 Adapted representation of a measuring device according to the invention in a second embodiment with two spectrometers; and -
10 a schematic representation of a device in which two spectrometers with a common dispersive optical element are combined in one housing.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF PREFERRED EXAMPLES
1. Aufbau einer herkömmlichen SD OCT Messvorrichtung1. Setup of a conventional SD OCT measuring device
Die
Ein erster Strahlteiler 14' teilt das von der Lichtquelle 12' erzeugte Messlicht in Referenzlicht RL und in Objektlicht OL auf. Im Allgemeinen wird bei bekannten SD OCT Messvorrichtungen das Messlicht nicht zu gleichen Teilen aufgeteilt, sondern asymmetrisch. Ein kleinerer Teil des Messlichts wird von dem ersten Strahlteiler 14' als Referenzlicht RL in einen Referenzarm 16' und der größere übrige Teil des Messlichts als Objektlicht OL in einen Objektarm 18' geleitet. Als Strahlteiler 14' werden bei faserbasierten Messvorrichtungen meist 2x2 Faserkoppler eingesetzt.A first beam splitter 14' divides the measurement light generated by the light source 12' into reference light RL and object light OL. In general, in known SD OCT measuring devices, the measurement light is not divided equally, but asymmetrically. A smaller portion of the measurement light is directed by the first beam splitter 14' as reference light RL into a reference arm 16', and the larger remaining portion as object light OL into an object arm 18'. In fiber-based measuring devices, 2x2 fiber couplers are typically used as the beam splitter 14'.
Das Referenzlicht RL wird im Referenzarm 16' möglichst vollständig reflektiert und gelangt als Referenzlichtanteil zurück zum ersten Strahlteiler 14'. Die Reflexion im Referenzarm 16' kann mit Hilfe eines Faserreflektors (z.B. eines Bragg-Reflektor) bewirkt werden. Ein höherer und von der Wellenlänge unabhängiger Reflexionsgrad wird mit einem konventionellen feststehenden Spiegel 20' erreicht. Das aus der optischen Faser austretende Referenzlicht RL kann dazu mit Hilfe einer ersten Linse 22' kollimiert und mit Hilfe einer zweiten Linse 24' auf den Spiegel 20' fokussiert werden.The reference light RL is reflected as completely as possible in the reference arm 16' and returns to the first beam splitter 14' as the reference light component. Reflection in the reference arm 16' can be achieved using a fiber reflector (e.g., a Bragg reflector). A higher reflectance, independent of wavelength, is achieved with a conventional fixed mirror 20'. For this purpose, the reference light RL exiting the optical fiber can be collimated using a first lens 22' and focused onto the mirror 20' using a second lens 24'.
Das in den Objektarm 18' als Objektlicht OL geleitete Messlicht wird mit Hilfe von Linsen 26', 28', die Teil des Objektarms 18' sind, fokussiert und auf das zu vermessende Objekt 30 gerichtet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Objekt 30 aus zwei aneinander angrenzenden Glasplatten 32, 34, die beide für das Objektlicht OL transparent sind. Transparent bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein detektierbarer Anteil des von den Grenzflächen der unteren Glasplatte 34 reflektierten Objektlichts OL wieder aus dem Objekt 30 austreten kann. Der Transmissionsgrad des Objekts 30 sollte daher mindestens 5% und vorzugsweise mehr als 25% betragen.The measuring light, directed into the object arm 18' as object light OL, is focused by means of lenses 26', 28', which are part of the object arm 18', and directed onto the object 30 to be measured. In the illustrated embodiment, the object 30 consists of two adjacent glass plates 32, 34, both of which are transparent to the object light OL. In this context, transparent means that a detectable proportion of the object light OL reflected from the interfaces of the lower glass plate 34 can exit the object 30 again. The transmittance of the object 30 should therefore be at least 5% and preferably more than 25%.
Das Objektlicht OL wird an den Grenzflächen der beiden Glasplatten 32, 34 teilweise reflektiert oder gestreut. Der reflektierte Objektlichtanteil gelangt über die Linsen 26', 28' zurück in die optische Faser und interferiert im ersten Strahlteiler 14' mit dem Referenzlichtanteil aus dem Referenzarm 16'. Das Interferenzsignal wird über einen zweiten Strahlteiler 35' ausgekoppelt und einem Spektrometer 36' zugeleitet, der die spektrale Intensitätsverteilung des Interferenzsignals erfasst.The object light OL is partially reflected or scattered at the interfaces of the two glass plates 32, 34. The reflected object light component passes through the lenses 26', 28' back into the optical fiber and interferes in the first beam splitter 14' with the reference light component from the reference arm 16'. The interference signal is coupled out via a second beam splitter 35' and fed to a spectrometer 36', which records the spectral intensity distribution of the interference signal.
Daraus kann eine mit dem Spektrometer 36' verbundene Auswerteeinheit 38' die Abstände zwischen den Grenzflächen der Glasplatten 32, 34 zur Messvorrichtung 10', die Dicken der einzelnen Glasplatten 32, 34 sowie die Dicke des gesamten Objekts 30 bestimmen.From this, an evaluation unit 38' connected to the spectrometer 36' can determine the distances between the interfaces of the glass plates 32, 34 to the measuring device 10', the thicknesses of the individual glass plates 32, 34 and the thickness of the entire object 30.
Die
Rechts neben dem Objekt 30 sind drei Interferenzspektren 1, 2, 3 dargestellt. Das Interferenzspektrum 1 würde vom Spektrometer 36' erfasst, wenn sich ausschließlich die erste Grenzfläche 40 im Strahlengang des Objektlichts OL befände. Die Reflexion des Objektlichts OL an der ersten Grenzfläche 40 führt zu einer Intensitätsmodulation des Spektrums im k-Raum, die proportional zur Differenz der optischen Weglängen ist, die das Referenzlicht RL im Referenzarm 16' einerseits und das Objektlicht OL im Objektarm 18' andererseits zurücklegt. Die gesuchte Abstandsinformation ist somit in der Frequenz codiert, mit der die Intensität im k-Raum oszilliert.To the right of object 30, three interference spectra 1, 2, and 3 are shown. Interference spectrum 1 would be recorded by spectrometer 36' if only the first interface 40 were in the beam path of the object light OL. The reflection of the object light OL at the first interface 40 leads to an intensity modulation of the spectrum in k-space, which is proportional to the difference in optical path lengths traveled by the reference light RL in reference arm 16' and the object light OL in object arm 18'. The desired distance information is thus encoded in the frequency at which the intensity oscillates in k-space.
Entsprechende Überlegungen gelten für die Interferenzspektren 2 und 3 und die diesen Interferenzspektren zugeordneten optischen Grenzflächen 42 bzw. 44. Die optische Weglänge im Referenzarm 16' ist hier so festgelegt, dass die Modulation der Intensität im k-Raum umso hochfrequenter ist, je weiter die betreffende optische Grenzfläche vom Kohärenztomographen 40 entfernt ist. In den Interferenzspektren 1, 2 und 3 sind die zunehmenden Modulationsfrequenzen gut erkennbar.Corresponding considerations apply to interference spectra 2 and 3 and the optical interfaces 42 and 44 associated with these interference spectra. The optical path length in the reference arm 16' is defined here such that the modulation of the intensity in k-space becomes higher in frequency the further the relevant optical interface is from the coherence tomograph 40. The increasing modulation frequencies are clearly visible in interference spectra 1, 2, and 3.
Da das Objektlicht OL jedoch nicht nur auf die Grenzflächen 40, sondern auch auf die Grenzflächen 42 und 44 trifft, überlagern sich die Interferenzspektren 1, 2 und 3. Das Spektrometer 36' erfasst somit nur das rechts daneben dargestellte Gesamtspektrum 50, das eine additive Überlagerung der Interferenzspektren 1, 2 und 3 darstellt.Since the object light OL strikes not only the interfaces 40, but also the interfaces 42 and 44, the interference spectra 1, 2 and 3 overlap. The spectrometer 36' therefore only detects the total spectrum 50 shown to the right, which represents an additive superposition of the interference spectra 1, 2 and 3.
Durch eine Fourier-Transformation können aus dem Gesamtspektrum 50 die spektralen Anteile, d.h. die Modulationsfrequenzen der Spektren 1, 2 und 3, gewonnen werden. Dies ist rechts in der
Das Spektrometer 36' erfasst darüber hinaus Interferenzen, die nicht auf die vorstehend geschilderte Interferenz des Referenzlichtanteil mit dem Objektlichtanteil zurückgehen, sondern auf eine Interferenz von Teilen des Objektlichtanteils, die von den Reflexionen an den Grenzflächen 40, 42, 44 verursacht werden. Diese Interferenzen erzeugen ebenfalls nach Durchführen der der Fourier-Transformation Peaks, die zu den rechts in der
Die
Aufgetragen ist die Intensität I über dem Abstand z. Ein Peak in der Mitte überragt die anderen Peaks. Dies geht - ohne dass ein Nutzer dies eindeutig verifizieren kann - darauf zurück, dass sich hier zwei gepunktet angedeutete Peaks weitgehend überlappen. Bei allen Peaks ist nicht ohne weiteres erkennbar, welchen der Grenzflächen 40, 42, 44 oder Dicken sie zuzuordnen sind. Es ist nicht möglich, sich ausschließlich die in der
2. Erstes Ausführungsbeispiel - schaltbarer Phasenschieber2. First embodiment - switchable phase shifter
Die
Im Unterschied zu der bekannten Messvorrichtung 10' enthält die erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 einen schaltbaren faserbasierten Phasenschieber 60, der im Referenzarm 16 angeordnet ist, alternativ aber auch im Objektarm 18 angeordnet sein könnte. Der Phasenschieber 60 ist dazu eingerichtet, die Phase des durchtretenden Lichts intermittierend um π/2 zu erhöhen, die dies oberhalb des Phasenschiebers durch eine Funktion angedeutet ist. Infolge der Reflexion am Spiegel 20 durchtritt der Referenzlichtanteil den Phasenschieber 60 zweifach, was eine Phasenverschiebung um π bewirkt.In contrast to the known measuring device 10', the measuring device 10 according to the invention includes a switchable fiber-based phase shifter 60, which is arranged in the reference arm 16, but could alternatively also be arranged in the object arm 18. The phase shifter 60 is configured to intermittently increase the phase of the transmitted light by π/2, as indicated by a function above the phase shifter. Due to reflection at the mirror 20, the reference light component passes through the phase shifter 60 twice, resulting in a phase shift of π.
Das Spektrometer 36 erfasst abwechselnd eine erste Interferenz des Referenzlichtanteils mit dem Objektlichtanteil ohne Phasenverschiebung (erstes Spektrum) und eine zweite Interferenz des Referenzlichtanteils mit dem Objektlichtanteil mit einer relativen Phasenverschiebung um π (zweites Spektrum).The spectrometer 36 alternately records a first interference of the reference light component with the object light component without phase shift (first spectrum) and a second interference of the reference light component with the object light component with a relative phase shift of π (second spectrum).
Die
Die
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 werden aber nicht die beiden in den
In der
In der
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 ermöglicht es somit, durch Umschalten des Phasenschiebers 60 zwei phasenverschobene Spektren zu erhalten, die einmal addiert und einmal subtrahiert werden. Durch Fourier-Transformation des Summenspektrums und des Differenzspektrums erhält man ausschließlich die Peaks aus der Dickenmessung bzw. der Abstandmessung. Vorzugsweise verfügt die Messvorrichtung über einen Drehsteller oder ein anderes Eingabegerät, mit dem der Nutzer festlegen kann, ob er sich alle Peaks wie in den
3. Mathematische Beschreibung3. Mathematical description
Es wird zunächst der Fall der Dickenmessung betrachtet, bei dem nur die Interferenz von Teilen des Objektlichtanteils interessiert, es aber zusätzlich zu Interferenzen mit dem Referenzlichtanteil kommt. Es wird angenommen, dass der aus dem Referenzarm 16 kommende Referenzlichtanteil durch
Werden die beiden Wellen im ersten Strahlteiler 14 überlagert, so ergibt sich für den Fall ohne Phasenverschiebung:
Das Interferenzsignal im Spektrometer 36 ist dann gegeben durch
Wird die Welle w1 nach Aktivierung des Phasenschiebers 60 mit der um π phasenverschobenen Welle w2 überlagert, ergibt sich die folgende Überlagerung der Wellen:
Das Interferenzsignal im Spektrometer 36 ist dann gegeben durch
Bildet man die Summe der beiden Interferenzsignale Ia + Ib (vgl.
Alle Interferenzmuster für Abstandssignale, die durch Interferenz mit dem Referenzlichtanteil entstehen, addieren sich somit bei der Summenbildung zu einer Konstante. Nach der Fourier-Transformation bleiben daher nur die Dickensignale übrig. Deren Amplitude verdoppelt sich aufgrund der Addition, so dass sich die Dickensignale noch besser vom Rauschen abheben.All interference patterns for distance signals, which arise from interference with the reference light component, add up to a constant when summed. After the Fourier transform, only the thickness signals remain. Their amplitude doubles due to the summation, so that the thickness signals stand out even better from the noise.
Es wird nun der Fall der Abstandsmessung betrachtet, bei dem erfindungsgemäß die beiden mit und ohne Phasenverschiebung gewonnenen Spektren voneinander subtrahiert werden. Die durch den Phasenschieber 60 bewirkte relative Phasenverschiebung zwischen dem Objektlichtanteil und dem Referenzlichtanteil hat keine Auswirkungen auf Interferenzen zwischen unterschiedlichen Teilen des Objektlichtanteils und somit auf die Dickenmessung. Da diese Anteile des Spektrums bei beiden Messungen identisch sind, heben sie sich bei einer Subtraktion der beiden Spektren auf mit der Folge, dass nach der Fourier-Transformation die Dickenpeaks unterdrück sind, wie dies die
4. Zweites Ausführungsbeispiel - zwei Spektrometer4. Second embodiment - two spectrometers
Die
Diese hat weitgehend den gleichen Aufbau wie die in der
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Spektrometer 36a, 36b vorgesehen. Der erste Strahlteiler wird durch einen 2x2 Faserkoppler 140 gebildet, der das von der Lichtquelle 12 kommende Messlicht in Referenzlicht RL und in Objektlicht OL aufteilt und den Referenzarm 16 bzw. und den Objektarm 18 einerseits mit dem ersten Spektrometer 36a und dem zweiten Spektrometer 36b andererseits optisch verbindet. Das durch die Interferenz des Referenzlichtanteils mit dem Objektlichtanteil entstehende Signal wird somit auf die beiden Spektrometer 36a, 36b aufgeteilt, und zwar vorzugsweise im Verhältnis 50:50 (sog. 3 dB Koppler). In this embodiment, two spectrometers 36a and 36b are provided. The first beam splitter is formed by a 2x2 fiber coupler 140, which splits the measurement light coming from the light source 12 into reference light RL and object light OL and optically connects the reference arm 16 and the object arm 18, respectively, to the first spectrometer 36a and the second spectrometer 36b. The signal resulting from the interference of the reference light component with the object light component is thus split between the two spectrometers 36a and 36b, preferably in a 50:50 ratio (so-called 3 dB coupler).
Derartige Faserkoppler haben (wie andere Strahlteiler auch) die Eigenschaft, dass die die Signale, die durch Interferenz von Licht aus dem Objektarm 18 und Referenzarm 16 und für die Abstandsmessung relevant sind, um π phasenverschoben sind. Dies ist letztlich eine Folge der Energieerhaltung. Folglich benötigt dieses Ausführungsbeispiel keinen Phasenschieber 60.Such fiber couplers (like other beam splitters) have the property that the signals relevant for distance measurement, resulting from the interference of light from the object arm 18 and reference arm 16, are phase-shifted by π. This is ultimately a consequence of energy conservation. Consequently, this embodiment does not require a phase shifter 60.
Im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel hat das in der
Die in der
Zur Messvorrichtung 10 gehört ferner ein f-Theta-Objektiv 72, das in der
Um den apparativen Aufwand zu reduzieren, können das erste Spektrometer 36a und das zweite Spektrometer 36b in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sein und ein gemeinsames dispersives optisches Element nutzen, das auftreffendes Licht spektral zerlegt und auf unterschiedliche Zeilen lichtempfindlicher Zellen richtet.To reduce the instrumental effort, the first spectrometer 36a and the second spectrometer 36b can be integrated in a common housing and use a common dispersive optical element that spectrally decomposes incident light and directs it onto different rows of light-sensitive cells.
Dies ist in der
Für Messungen mit zwei Spektrometern 36a, 36b müssen die von den einzelnen Pixeln 84, 86 ausgegebenen Werte im Rahmen der Summen- oder Differenzbildung addiert bzw. subtrahiert werden. Dies setzt voraus, dass das auf die betreffenden Pixel 84, 86 auftreffende Licht exakt die gleiche Wellenlänge hat. Dies kann beispielsweise durch das Angleichen einer Kalibriertabelle oder durch Interpolation der Messwerte auf äquidistante Punkte im k-Raum (Wellenzahl statt Wellenlänge) sichergestellt werden, was im Zusammenhang mit der Durchführung der Fourier-Transformation ohnehin erforderlich ist.For measurements with two spectrometers 36a, 36b, the values output by the individual pixels 84, 86 must be added or subtracted as part of the summation or subtraction process. This requires that the light incident on the respective pixels 84, 86 has exactly the same wavelength. This can be ensured, for example, by adjusting a calibration table or by interpolating the measured values to equidistant points in k-space (wavenumber instead of wavelength), which is necessary anyway in connection with performing the Fourier transform.
Bei dem in der
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2022 104 416 A1 [0004]DE 10 2022 104 416 A1 [0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Wen-Chuan Kuo et al., „Balanced detection for spectral domain optical coherence tomography“, Opt. Express 21, 19280-19291 (2013), 10.1364/OE.21.019280 [0010]Wen-Chuan Kuo et al., “Balanced detection for spectral domain optical coherence tomography,” Opt. Express 21, 19280-19291 (2013), 10.1364/OE.21.019280 [0010]
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