DD201191B1

DD201191B1 - Kippinvariantes interferometer mit ebenen spiegeln

Info

Publication number: DD201191B1
Application number: DD81233527A
Authority: DD
Inventors: Hans-Joachim Buechner
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1981-09-24
Filing date: 1981-09-24
Publication date: 1987-07-15
Also published as: FR2513375B1; DE3226137A1; GB2107079B; DD201191A1; DE3226137C2; GB2107079A; FR2513375A1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo die zu messende technisch-physikalische Große eine Änderung des optischen Gangunterschiedes bewirkt Das ist ζ B bei allen Messungen der Meßgroße Lange der Fall, es trifft auch zu fur die Messung der Brechzahl, des Druckes, der Zusammensetzung von Gasen oder die Messung der Kraft, sofern deren Wirkung die Änderung einer geometrischen Abmessung eines Korpers verursacht Insbesondere eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, Meßobjekte mit gut reflektierender Oberflache, ζ B alle Bauelemente der Optik, wie Linsen, Prismen, Spiegel, auf Ebenheit zu prüfende Flachen oder ftfeliebige andere Meßobjekte direkt mit dem Meßstrahl des Interferometers optisch berührungslos und punktförmig anzutasten

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Es sind, insbesondere hervorgerufen durch die Entwicklung der Lasertechnik, verschiedene Interferometer bekannt Diesen Interferometern ist gemeinsam, daß sie uberfotoelektnsche Empfanger und diesen nachgeschaltete Baugruppen verfugen, die eine automatische vorzeichenrichtige Registrierung der Änderungen des optischen Gangunterschiedes ermöglichen Diese Eigenschaft der Interferomter kann auf zwei Wegen erreicht werden

1 Das Interferometer erzeugt am Ort der fotoelektrischen Empfanger ein Interferenzbild mit kleinem Ordnungsabstand und die Fotoempfanger werden in diesem Interferenzbild geometrisch so angeordnet, daß bei Änderung der Meßgroße die von ihnen abgegebenen elektrischen Ausgangssignale zueinander 90° phasenverschoben sind Diese Phasenverschiebung ist notwendig fur die automatische vorzeichenrichtige Registrierung der Gangunterschiedsanderungen 2 Das Interferometer erzeugt an den fotoelektrischen Empfangern ein Interferenzbild mit großem Ordnungsabstand und die 90°

phasenverschobenen Signale werden mit polansationsoptischen und optisch-doppelbrechendem Bauelementen erzeugt Gemeinsam ist beiden Interferometerarten, daß das gewählte Interferenzbild wahrend der gesamten Messung unverändert erhalten bleiben muß, weil sonst Störungen im Vor-Ruckwarts-Zahlvorgang auftreten Bei dem erstgenannten Interferometertyp werden zumeist Fizeau-Interferenzen zwischen ebenen Spiegeln in einem reellen oder virtuellen Kiel erzeugt Der Ordnungsabstand ist vom Winkel zwischen den Spiegeln abhangig Ändert sich dieser Winkel wahrend der Messung, dann ändert sich auch der Ordnungsabstand und damit die Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Ausgangssignalen der Empfanger Damit dieser Fall nicht eintritt, werden die Spiegel räumlich fest angeordnet und man verwendet Tripelprismen als bewegliche reflektierende Elemente Werden dagegen ebene Spiegel als bewegliche reflektierende Elemente benutzt, benotigt man fur deren Bewegung Prazisionsfuhrungen, da Kippungen der Spiegel um wenige Winkelsekunden schon beträchtliche Phasenfehler im Vor-Ruckwarts-Zahlverfahren verursachen

Im zweiten Falle stehen die Spiegel, zwischen denen das Interferenzbild erzeugt wird, parallel zueinander. Meßfehler entstehen, sofern diese Spiegel eine von der parallelen Stellung abweichende Lage einnehmen, so daß man auch hier die kippinvarianten Eigenschaften von Tripelprismen als bewegliche reflektierende Elemente verwendet. Nachteilig an diesen Verfahren ist, daß einerseits zwei Flächen in eine genau definierte Lage (Winkel oder Parallelität) zueinander gebracht werden müssen und andererseits Tripelprismen verwendet werden, an deren Herstellungstechnologie ebenfalls hohe Anforderungen zu stellen sind. Die zulässigen Toleranzen der Winkel zwischen den drei reflektierenden Flächen eines für interferometrische Zwecke verwendeten Tripelprismas liegen bei wenigen Winkelsekunden. Werden sie überschritten, wirkt das Tripelprisma im optischen Strahlweg wie ein Glaskeil und verändert seinerseits den Ordnungsabstand im Interferenzbild. Weiterhin kann bei diesen Meßverfahren infolge der Verwendung von Tripelprismen das Meßobjekt nur mechanisch angetastet werden. Dadurch sind in jedem Falle die Unsicherheiten des mechanischen Kontaktes wie Deformationen am Prüfling, die durch die Meßkraft des Tastbolzens ausgeübt werden, Änderungen der Meßkraft infolge Reibung und Hysterese, im Meßergebnis enthalten.

Es ist noch eine dritte Gruppe von Interferometern bekannt, die die Ebenheitsprüfung von optisch-hochwertigen Flächen gestattet. Bei diesen Interferometern werden die zu prüfenden Flächen ebenfalls optisch-berührungslos angetastet, und es wird zumeist ein flächenhaftes Interferenzbild über der gesamten zu prüfenden Fläche erzeugt. Der Nachteil dieser Interferometer besteht darin, daß die Auswertung des Interferenzbildes visuell vorgenommen werden muß und eine Anwendung des automatischen Vor-Rückwärts-Zählverfahrens nicht möglich ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Interferometer zur Messung kleiner Längen bis etwa 100 mm anzugeben, bei dem unter Verzicht auf Tripelprismen ebene Spiegel als bewegliche reflektierende Elemente verwendet werden können und dennoch eine Winkelbeweglichkeit dieser Spiegel in weiten Grenzen, für die meisten technischen Anwendungen völlig ausreichend, erlaubt ist. Damit kann auf optische und feinmechanische Präzisionstechnologien weitgehend verzichtet werden, wodurch der Kostenaufwand je Interferometer wesentlich verringert wird. Weiterhin können Meßobjekte mit gut reflektierender Oberfläche durch den Meßstrahl direkt und punktförmig angetastet werden, ohne daß eine präzise Justierung dieses Meßobjektes bezüglich einer Referenzfläche erforderlich ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer zu schaffen, bei dem die Phasenlage der elektrischen Signale, die von den fotoelektrischen Empfängern eines Interferometers abgegeben werden, konstant ist und unabhängig von der Winkellage der die Interferenz erzeugenden Spiegelflächen^Vobei als Meß- und Referenzspiegel vorzugsweise ebene Spiegel verwendet werden können, wenn die optischen Schwerpunkte der Empfänger nur von homologen Strahlpaaren getroffen werden.

Das Interferometer besteht aus einem ersten Strahlteiler zur Aufteilung des von der Lichtquelle ankommenden Lichtstrahls in Meß- und Referenzstrahl, zwei ebenen Spiegeln zur Reflexion der Meß- und Referenzstrahlen, polarisationsoptischen und optisch-doppelbrechenden Bauelementen und einem zweiten Strahlteiler zur Aufteilung der bereits zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen auf fotoelektrische Empfänger. Die beim auftreffen eines Strahls auf eine Strahlteilerschicht entstehenden Teilstrahlen werden als homologes Strahlpaar bezeichnet. An der ersten Strahlteilerschicht werden aus dem von der Lichtquelle ankommenden Strahl beispielsweise der Meß- und Referenzstrahl als homologes Strahlpaar erzeugt. An der zweiten Strahlteilerschicht werden zwei homologe Strahlpaare erzeugt. Eines davon ergibt sich aus der Teilung des Referenzstrahls und das andere aus der Teilung des Meßstrahls.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die fotoelektrischen Empfänger in bezug auf die optischen Bauelemente des Interferometers und den einfallenden Lichtstrahl in besonderer Weise justiert werden. Man kann den fotoelektrischen Empfänger so betrachten, daß seine fotoelektrisch-aktive Fläche auf einen Punkt, den optischen Schwerpunkt, konzentriert sei. Gemäß der Erfindung werden die optischen Schwerpunkte der Empfänger so justiert, daß sie nur von homologen Strahlpaaren getroffen werden. Stehen Meß- und Referenzspiegel senkrecht aufeinander, sind die aus Meß- und Referenzstrahl erzeugten homologen Strahlpaare deckungsgleich. Nimmt der Meßspiegel eine andere Winkellage ein, erzeugen Meß-und Referenzstrahl an der zweiten Strahlteilerschicht homologe Strahlpaare, die zueinander unter einem Winkel liegen. Bei einer Bewegung des Meßspiegels in Richtung des Meßstrahls ist die Phasenlage zwischen den elektrischen Signalen der fotoelektrischen Empfänger unabhängig von der Winkellage zwischen beiden ebenen Spiegeln im gesamten Bewegungsbereich des Meßspiegels konstant und die Phasendifferenz ist Null.

Um die Vor-Rückwärts-Zählung zu ermöglichen, muß zwischen beiden Empfängersignalen eine konstante Phasendifferenz von 90° erzeugt werden. Das wird mit optisch-doppelbrechenden und polarisationsoptischen Bauelementen erreicht. Der von der monochromatischen Lichtquelle ankommende linear polarisierte Lichtstrahl trifft auf eine

—-Platte aus optisch doppelbrechendem Material. Die Schwingungsrichtung des Lichtstrahls liegt zu den beiden

in der

Platte möglichen Schwingungsrichtungen unter 45⁰C. Dann erzeugt die

—-Platte aus dem ankommenden linear polarisierten Licht zirkulär polarisiertes Licht. Dieses wird am ersten Strahlteiler in Referenz- und Meßstrahl aufgeteilt und in einem von beiden Strahlengängen befindet sich eine zweite

Platte, die den Umlaufsinn der zirkulären Polarisation des betreffenden Strahls infolge des zweimaligen

Durchlaufs umkehrt. Die Interferenz von rechts- und linkszirkular polarisiertem Licht nach dem ersten Strahlteiler ergibt linear

polarisiertes Licht, dessen Schwingungsebene vom Gangunterschied zwischen beiden interferierenden Teilstrahlen abhängt. Der durch Interferenz entstandene Strahl wird am zweiten Strahlteiler im gleichen Amplitudenverhältnis geteilt. Jeder dieser Teilstrahlen trifft auf einen Polarisator. Die Durchlaßrichtungen beider Polarisatoren stehen zueinander unter einem Winkel von 45°. Bei Bewegung des Meßspiegels in Meßrichtung sind die von den fotoelektrischen Empfängern abgegebenen Signale konstant um 90° phasenverschoben.

Bisher war davon ausgegangen worden, daß die fotoelektrisch-aktiven Flächen der fotoelektrischen Empfänger auf einen Punkt, den optischen Schwerpunkt, konzentriert seien. Unter dieser theoretischen Voraussetzung kann der Kippwinkel zwischen dem Referenzspiegel und dem Laufspiegel beliebig groß sein und der Vor-Rückwärts-Zählvorgang wird nicht außer Takt kommen, wenn die optischen Schwerpunkte der Empfänger homologe Strahlpaare abtasten. Obwohl dieser theoretisch angenommene Fall eines punktförmigen fotoelektrischen Empfängers durch die in letzter Zeit in integrierter Technologie hergestellten Empfänger mit fotoelektrisch-aktiven Flächen von wenigen μιπ^! weitgehend angenähert wird, soll der Einfluß einer zwar kleinen, aber doch endlichen Empfängerfläche betrachtet werden. Endlich bedeutet in diesem Falle, daß die fotoelektrisch-aktive Empfängerfläche < 1 mm² und quadratisch bzw. kreisförmig, also nicht linienförmig ist. Stehen Meß- und Referenzspiegel senkrecht zueinander, ist die Intensitätsverteilung an den fotoefektrischen Empfängern konstant. Kippt der Meßspiegel während der Meßbewegung, z.B. infolge Ungenauigkeit der Führung, entsteht eine sinusförmige Intensitätsverteilung, die von den Empfängern abgetastet wird. Bei kleinem Kippwinkel von wenigen Winkelsekunden wird der Ordnungsabstand groß sein im Verhältnis zur fotoelektrisch-aktiven Emfängerfläche und die sinusförmige Intensitätsverteilung wird quasi punktförmig durch den Empfänger abgetastet. Mit größer werdendem Kippwinkel des Meßspiegels wird der Ordnungsabstand kleiner und der Empfänger beginnt, über die sinusförmige Intensitätsverteilung zu integrieren. Dabei nimmt die Amplitude des vom Empfänger abgegeben elektrischen Signals ab. Die Amplitude ist Null, wenn der Ordnungsabstand gleich der fotoelektrisch-aktiven Empfängerfläche ist. Dieser Fall entspricht einer bestimmten Winkelstellung des Meßspiegels gegenüber dem Referenzspiegel und darf nicht überschritten werden. Der maximale Winkelbereich, in dem der Meßspiegel kippen darf, wird durch die geometrische Abmessung der fotoelektrisch-aktiven Empfängerfläche bestimmt.

Tabelle 1 gibt in einigen Beispielen die zulässigen Kippwinkel α zu den Kantenlängen a der fotoelektrisch-aktiven Empfängerflächen für χ = 633 nm an.

α	±1'5"	±2Ί1"	±10'52"	±21'45"	±1°48"
a/mm	1	0,5	0,1	0,05	0,01

Tabelle 1

Die ^"-Phasenverschiebung ist lediglich von der Justierung der fotoelektrisch-aktiven Empfängerflächen auf den einfallenden Strahl abhängig.

Ausführungsbeispiel

ßie Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Ausführung des Interferometers als Zweistrahlinterferometer,

Fig.2: Ausführung des Interferometers als Vielstrahl-Auflichtinterferometer.

Entsprechend Fig. 1 ist ein Laser 1 vorhanden, der einen monochromatischen Strahl 13 aussendet. Dieser Lichtstrahl durchsetzt eine aus optisch-doppelbrechendem Material bestehende

—Platte 2 und trifft auf einen Teilerwürfel 4 mit Strahlteilerschicht 5. Die Strahlteilerschicht teilt den ankommenden 4

Lichtstrahl im Verhältnis 1:1 in Referenzstrahl 15 und Meßstrahl 16. Der Referenzstrahl 15 wird durch die Teilerschicht 5 zum feststehenden und ebenen Referenzspiegel 6 reflektiert und gelangt von diesem zur Teilerschicht zurück. Der Meßstrahl 16 tritt durch die Teilerschicht 5 hindurch, wird an dem ebenen Meßspiegel 7 reflektiert und passiert zweimal die

—Platte 3. An der Teilerschicht 5 interferieren die Strahlen 15 und 16. Diese Strahlen werden an derTeilerschicht 4

8 im Verhältnis 1:1 geteilt, und es entstehen die homologen Strahlpaare 15', 15", 16', 16" aus den Strahlen 15 und 16. Die Teilstrahlen 15', 16' durchlaufen das Polarisationsfilter 10 und treffen danach auf den fotoelektrischen Empfänger 11 und ebenso passieren die Teilstrahlen 15", 16" das Polarisationsfilter 9 und treffen danach auf den fotoelektrischen Empfänger 12. Der Strahl 13 ist linear polarisiert und die Schwingungsebene seiner Polarisation ist in bezug zu den beiden in der

—Platte 2 möglichen Schwingungsebenen so orientiert, daß sie zueinander einen Winkel von 45° bilden. Dann ist der

Strahl 14 zirkulär polarisiert, und es werden angenommen, im rechtsdrehenden Sinn. Der Meßstrahl 16 jedoch durchläuft beim hin- und Rückweg vom Meßspiegel 7 zweimal die

—Platte 3, deren Orientierung in bezug auf den ankommenden Strahl die gleiche ist wie die der

—Platte 2 zum Strahl 13. Dadurch ändert sich der Drehsinn der zirkulären Polarisation des zur Teilerschicht 5 4

zurückkehrenden Strahls 16. Die sich ab derTeilerschicht 5 in gleicher Richtung ausbreitenden Strahlen 15,16 ergeben Interferenzen von rechts- und linkszirkular polarisiertem Licht. Das Ergebnis dieser Interferenz ist ein Strahl, dessen Polarisation linear ist, wobei jedoch die Schwingungsebene der linearen Polarisation nicht konstant ist, sondern abhängt vom Gangunterschied zwischen Referenzstrahl 15 und Meßstrahl 16. Die Polarisatoren 10 und 9 sind so zueinander orientiert, daß die Schwingungsebenen der Teilstrahlen 15', 16' und 15", 16" nach Durchlaufen der Polarisatoren im Winkel von 45° zueinander stehen. Dann sind die von den fotoelektrischen Empfängern 11,12 abgegebenen elektrischen Signale 90° phasenverschoben.

Um die besondere Justierung der fotoelektrisch-aktiven Flächen der Empfänger 11,12 auf die homologen Strahlpaare zu ermöglichen, kann man in dem vom Laser 1 ankommenden Lichtbündel eine Blende 20 mit kleiner Öffnung anbringen, die den Strahl 13 hindurchläßt und nach erfolgter Justierung entfernt werden kann. In Figur 1 ist die Winkellage zwischen Meßspiegel 7 und Referenzspiegel 6 senkrecht, so daß auch die aus dem Strahl 14 hervorgehenden Teilstrahlen 15,16 senkrecht zueinander sind. Deshalb sind diese Teilstrahlen nach ihrem zweiten Passieren der Teilerschicht 5 in der zeichnerischen Darstellung von Figur 1 in Deckung. An der Teilerschicht 8 entsteht aus dem Strahl 15 das homologe Strahlpaar 15', 15" und aus dem Strahl 16 das homologe Strahlpaar 16', 16". Die Justierung der Empfänger erfolgt so, daß die Strahlen 15', 16' auf die fotoelektrisch-aktive Fläche des Empfängers 11 fallen und die Strahlen 15", 16" entsprechend auf die fotoelektrisch aktive Fläche des Empfängers 12. Diese Justierung kann mit Hilfe der Blende 20 zunächst visuell vorgenommen und bei weiterer Verfeinerung anhand des oszillografischen Ergebnisses der Überlagerung der elektrischen Ausgangssignale beider Empfänger fortgesetzt werden. Ein Keil des Doppelkeilpaares, z. B. 23, ist räumlich fest angeordnet und der andere Keil 22 ist senkrecht zur Richtung des Meßstrahls 16 verschiebbar angebracht, so daß sich bei einer Verschiebung des Keils 22 eine Änderung des optischen Gangunterschiedes zwischen dem Referenzstrahl 15 und dem Meßstrahl 16 ergibt. Es können aber auch beide Keile 22,23 in dieser Richtung gegenläufig verschoben werden. Durch die Verschiebung der Keile ist es möglich, eine definierte Änderung des Gangunterschiedes zu erreichen, z. B. zum Zwecke der Interpolation oder Modulation.

In Fig. 2 ist eine weitere Anordnung gezeigt, in der Vielstrahl-Fizeau-Interferenzen am reellen Keil erzeugt werden. Die verwendeten Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1. Der vom Laser ankommende linear polarisierte Strahl 13 trifft unter 45°-Orientierung auf die

—Platte 2, die den rechtszirkular polarisierten Strahl 14 erzeugt. Dieser Strahl passiert die Teilerschicht 5 und wird an 4

derteilverspiegelten Schicht 18 des Referenzspiegels 6 in einen hindurchgelassenen und einen reflektierten Teil geteilt. Der reflektierte Teilstrahl 15 stellt den Referenzstrahl dar und ist rechtszirkular polarisiert. Der hindurchgelassene Teilstrahl 16 bildet den Meßstrahl, dessen Drehsinn der zirkulären Polarisation sich infolge des zweimaligen Durchlaufes durch die

—Platte 3 umkehrt. Auch die mehrfach zwischen dem Referenzspiegel 6 und dem Meßspiegel 7 hin-und

herreflektierten 4

Teilstrahlen 16 behalten die linkszirkulare Polarisation bei, da die Anzahl der Durchläufe des Teilstrahls 16 ab der teilverspiegelten Schicht 18 und zurück immer geradzahlig ist.

Claims

Patentansprüche

1 Kippinvariantes Interferometer mit ebenen Spiegeln, bestehend aus einer monochromatischen Lichtquelle, strahlteilenden und strahlreflektierenden Elementen, qolansationsoptischen und optisch-doppelbrechenden Bauelementen und fotoelektrischen Empfangern, gekennzeichnet dadurch, daß die fotoelektrisch-aktiven Flachen der fotoelektrischen Empfanger (11,12) relativ zueinander und zu den strahlteilenden Elementen (5,8) und zu den strahlreflektierenden Elementen (6,7) so angeordnet sind, daß, sie von homologen Strahlpaaren (15', 15" und 16', 16") getroffen werden und daß mit den

— Platten (2,3) und den Analysatoren (9,10) eine 90°-Phasenverschiebung der Intensitatsverlaufe vor den 4

fotoelektrischen Empfangern (11,12) eingestellt ist

2 Kippinvariantes Interferometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß vor dem ersten strahlteilenden Element (5) eine erste

— Platte (2) aus optisch-doppelbrechendem Material angeordnet ist und in einem Teilstrahl nach dem ersten 4

strahlteilenden Element (5) eine zweite

— Platte (3) angeordnet ist und nach dem zweiten strahlteilenden Element (8) in jedem Teilstrahlengang (15', 16'

und 15", 16") ein polansationsoptischer Analysator (9,10) und diesem nachgeschaltetje ein fotoelektrischer Empfanger (11, 12) angeordnet ist und die Durchlaßrichtungen dieser Analysatoren einen Winkel zueinander bilden

3 Kippinvariantes Interferometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß die strahlteilenden Elemente (5,8) und das strahlreflektierende Elemente (6) zu einer festen Baueinheit zusammengefugt sind

4 Kippinvariantes Interferometer nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, daß ein strahlreflektierendes Element als teildurchlassiger Spiegel (18) ausgebildet ist und parallel zu ihm das strahlreflektierende Element (7) angeordnet ist und sich zwischen beiden strahlreflektierenden Elementen (7,18) die

— Platte (3) befindet
4