DD149127A1

DD149127A1 - Verfahren und anordnung zur messung der interferenzphasen einer wellenfront

Info

Publication number: DD149127A1
Application number: DD21897480A
Authority: DD
Inventors: Johannes Schwider
Original assignee: Johannes Schwider
Priority date: 1980-02-11
Filing date: 1980-02-11
Publication date: 1981-06-24

Abstract

Die Erfindung dient zur Vermessung von Wellenfronten bezueglich ihrer Phasenverteilung in Echtzeit. Sie ist beispielsweise anwendbar fuer die Wellenfrontdiagnostik in der Hochenergiephysik, bei Plasmauntersuchungen oder zur Pruefung optischer Systeme. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein zu dessen Durchfuehrung geeignetes Shearing-Interferometer anzugeben, mit dem auch Wellenfelder, die nur kurzzeitig existieren, mittels Computeranalyse erfaszt werden koennen. Erfindungsgemaesz wird die zu untersuchende Wellenfront auf ein Multiplexgitter mit drei azimutal gedrehten Doppelfrequenzgittern fokussiert und in drei ersten Beugungsordnungen d. phasenverschiedenen Intensitaetsbilder auf speichernden Empfaengerarrays abgebildet, photoelektrisch gewandelt und anschlieszend im Speicher eines Mikro- oder Prozeszrechners gespeichert. Das zur Durchfuehrung des Verfahrens vorgeschlagene Shearing-Interferometer umfaszt ein Multiplexgitter mit drei azimutal gedrehten Doppelfrequenzgittern, drei azimutal gedrehte Photoarrayempfaenger, z.B. Vidicons, die in Richtung der ersten Beugungsordnungen des Multiplexgitters angeordnet sind, daran anschlieszend einen Multiplexer, einen Analog-Digitalwandler und einen Mikro- bzw. Prozeszrechner mit Datenausgabe.

Description

21 8 974 "»·

Dr, Johannes Schwider Berlin, 22. 01. 1980

Zustellungsbevollmächtigt:

Akademie der Wissenschaften der DDR Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - Patentbüro

1199 Berlin-Adlershof, Rudower Chaussee 5

Verfahren und Anordnung zur Messung der Interferenzphasen einer Wellenfront

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung, mit deren Hilfe Y/ellenfronten bezüglich ihrer Phasenverteilung in Echtzeit vermessen werden können. Sie ist beispielsweise anwendbar für die Wellenfrontdiagnostik in der Hochenergiephysik, bei Plasmauntereuchungen, wo eine nur kurzzeitig existierende Raumladungsverteilung zu Brechzahlvariationen im Raum führt, oder zur schnellen und effektiven Prüfung optischer Systeme.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine Reihe von Verfahren bekannt, mit denen ähnliche Meßaufgaben gelöst werden können. So ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem zeitlich nacheinander mittels globaler Referenzphasenänderungen die lokalen Objektphasen rechnerisch erfaßbar sind

(DDR-W? 96 779, I_nt.Cl. G 02 b, 27/38)· Dieses Verfahren ist vor allem in der Optikprüfung sinnvoll anwendbar.

Es ist auch bekannt, ein holografisch erzeugtes Zweifrequenzgitter als Shearinginterferometer zu benutzen, bei dem eine störende Überlappung durch andere als die erwünschten Wellenfronten durch passende Wahl der mittleren Ortsfrequenz des Gitters ausgeschaltet wird (Wyant, Appl.Opt. V2 (1973) 2057).

Die Sheargröße läßt sich durch Wahl der Differenzfrequenz einstellen.

Es wurde ferner vorgeschlagen, zwei derartige Doppelgitter auf ein Hologramm zu kopieren, um den Shear in zwei unabhängigen lateralen Richtungen zu erreichen. Allen sonst bekannt gewordenen Echtzeit-Verfahren ist gemeinsam, daß entweder mehrere Messungen nacheinander vorgenommen werden

'(BRD-OS 2 442 280, Int.Cl. G 02 b, 27/00), oder daß zur Messung an einem Ort eine längere Zeit, z. B. mehrere Sekunden, benötigt wird (BRD-OS 2 312 247)«

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, nur kurzzeitig und einmalig existierende Y/ellenfeider mittels speichernder photoelektrischer Empfänger bezüglich ihrer wesentlichen Parameter, Visibility und Phase, abzutasten und mittels Computer zu analysieren.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Interferenzphasen einer Wellenfront und ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Shearing-Interferometer anzugeben. Dabei muß zwangsläufig dafür gesorgt werden, daß Intensitätsbilder mit unterschiedlicher Referenzphase zur Abtastung vorliegen. Bedingt durch die NichtWiederholbarkeit müssen die geeigneten Intensitätsbilder simultan mit der entsprechenden Referenzphase erzeugt werden, um aus wenigstens drei Intensität sverteilungen auf die drei unbekannten Parameter Phase, Visibility und mittlere Intensität schließen zu können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine kohärente Wellenfront auf ein Multiplexgitter mit drei azimutal gedrehten Doppelfrequenzgittern fokussiert wird und in drei ersten Beugungsordnungen die phasenverschiedenen Intensitätsbilder auf speichernden Empfängerarrays abgebildet und photoelektrisch gewandelt werden mit anschließender Speicherung im Speicher eines Mikro- oder Prozeßrechners.

Bei dieser Verfahrensweise erfolgt Shear in zwei voneinander unabhängigen Richtungen.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Multiplexshearing-Interferometer vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch ein Multiplexgitter mit drei azimutal gedrehten Doppelf^equensgittern, dem in Richtung der ersten Beugungsordnungen in größerer Entfernung azimutal gedreht drei bis sechs Photoarrayempfänger nachgeschaltet sind, denen sich ein Multiplexer zur Steuerung der Zeitfolge der elektrischen Signale, ein Analog-Digitalwandler und ein Mikro- bzw. Prozeßrechner anschließen.

Das im Interferometer eingesetzte Multiplexgitter wird erfindungsgemäß dadurch erzeugt, daß eine kohärente ebene Welle aperturmäßig geteilt und mittels vier Objektiven

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in die Pokalebene einer Pouriertransf ormationslinse fokussiert wird, dann von dieser in der hinteren Pokalebene gegeneinander geneigte ebene Wellen erzeugt werden, von denen je ein Paar sukzessiv auf einem dort befindlichen lichtempfindlichen Medium gespeichert werden und daß die Erzeugung der Doppelfrequenzgitter derart erfolgt, daß drei der vier Objektive nebst Ortsfrequenzfilter lateral um den gewünschten Shearbetrag verschoben werden und daß bei dieser Zweitbelichtung die Phasenlage des ortsfesten vierten Objektivs um vorgegebene Y/erte mittels Phasenschieber im Strahlengang des ortsfesten Objektivs verändert wird·

Bei der Herstellung des genannten Multiplexgitters wird eine Vorrichtung verwendet, die gekennzeichnet ist durch vier gleiche Objektive, eine in der gemeinsamen Pokalebene der Objektive angeordnete Blendenplatte mit vier feinen Blendenöffnungen jeweils im Strahlengang der Objektive, wobei drei der Objektive mit den ihnen zugeordneten Blendenelementen eine lateral verschiebbare starre Baueinheit bilden, während ein Objektiv und dessen zugeordnetes Blendenelement ortsfest sind, einen Phasenschieber im Strahlengang des ortsfesten Objektivs, eine der Blendenplatte nachgeschaltete Pouriertransformationslinse, deren vordere Pokalebene mit der Pokalebene der Objektive zusammenfällt und in deren hinterer Pokalebene eine lichtempfindliche Schicht zur Aufzeichnung eines Multiplexgitters angeordnet ist·

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: .

Pig· 1: das Blockschaltbild eines Multiplexshearing- i Interferometers nach der Erfindung,

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Pig. 2: die Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur > Erzeugung eines Multiplexgitters für eine Anordnung nach Pig, .1,

Pig. 3: ein bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugtes Shearinterferenzbild.

Das Blockschaltbild nach Pig. 1 zeigt die Gesamtanordnung zur Messung von Shearinterferogrammen in einer Richtung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung der zweiten Shearrichtung verzichtet. Die Anordnung umfaßt ein Multiplexgitter MG mit drei azimutal gedrehten Doppelfrequenzgittern, drei azimutal gedrehte Photoarrayempfänger, z_o B₀ Vi'dicons V1, V2, V3, die in Richtung der ersten Beugungsordnungen des Multiplexgitters MG angeordnet sind, daran anschließend einen Multiplexer M, einen Analog-Digitalwandler A/D und einen Mikro- bzw. Prozeßrechner R mit Datenausgabe D. Die zu prüfende Wellenfront V/ wird auf das Multiplexgitter MG fokussiert. Ein Tripel (bzw. ein Sechstupel) von ersten BeugungsOrdnungen fällt auf die drei (bzw. sechs) getrennt angeordneten Vidicons V1, V2, V3 oder andere speichernde . zweidimensionale Empfänger. Die den jeweiligen Intensitätsverteilungen entsprechenden elektrischen Signale v/erden über den Multiplexer M, der vom Rechner R nach Eintreffen eines Synchronimpulses des die Yieilenfront Y/ erzeugenden Lasers zeitlich, gesteuert wird, nacheinander über den Anplos-rDigitalwandler A/D dem Rechner R zugeführt und hier die Werte für die drei ausgewählten Phasenlagen zur Verarbeitung gespeichert. Die errechneten Phasen- oder Visibilitygrößen werden dann von der Datenausgabe D des Rechners R ausgegeben.

Das Multiplexshearing-Interferometer soll erfindungsgemäß drei Bilder mit unterschiedlichen aber bekannten Phasenlagen enthalten.

Bei der holografischen Erzeugung eines für das Interferometer erforderlichen Multiplexgitters MG wird zweckmäßigerweise eine Vorrichtung verwendet, wie sie in Pig. 2 sehematißch dargestellt ist.

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Diese Torrichtung umfaßt vier gleiche Objektive 01, 02, 03» 04, eine in der gemeinsamen Pokalebene der Objektive 01, 02, 03, 04 angeordnete Blendenplatte BP mit vier feinen Blendenöffnungen B1, B2, B3, B4 jeweils im Strahlengang der Objektive 01, 02, 03, 04, wobei drei der Objektive 01, 02, 03 mit den ihnen zugeordneten Blendenelementen B1, B2, B3 eine lateral verschiebbare starre Baueinheit E bilden, während ein Objektiv 04 und dessen zugeordnetes Blendenelement B4 ortsfest sind, ferner einen Phasenschieber Ph im Strahlengang des ortsfesten Objektivs 04, eine der Blendenplatte BP nachgeschaltete Pouriertransformationslinse L, deren vordere Pokalebene mit der Pokalebene der Objektive 01, 02, 03, 04 zusammenfällt und in deren hinterer Pokalebene eine lichtempfindliche Schicht LS zur Aufzeichnung eines Multiplexgitters MG angeordnet ist.

Bei der Herstellung eines Multiplexgitters MG mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung werden zunächst die Gitter rO1, rO2, rO3 sukzessiv auf das Hologramm aufbelichtet, Dann werden die Objektive 01, 02, 03 zusammen mit den Blendenelementen B1, B2, B3 als starre Baueinheit E um den Shearbetrag lateral verschoben. Anschließend wird das Gitter rO~T aufbelichtet· Vor der Aufbelichtung von rü"2 und rO3 wird der Phasenschieber Ph im Strahlengang des ortsfesten Objektivs 04 um den gewünschten Betrag <z. B· jeweils =->r- ) verschoben·

Auf diese Weise sind dann im resultierenden holographischen Multiplexgitter die einheitliche Shearrichtung sowie die erforderlichen Phasenwerte eingefroren. Das Multiplexgitter wird nach der Entwicklung gebleicht oder von vornherein als Phasengitter erzeugt und steht dann als Element für die Meßanordnung zur Verfügung.

Im folgenden soll der Ablauf des Meßverfahrens näher erläutert werden.

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untersuchende Lichtbündel wird auf das Multiplexgitter MG fokussiert, wobei sich ein Shearinterferenzbild ergibt, wie es in Fig· 3 dargestellt ist. Es werden gleichzeitig wenigstens drei Shearbilder derart erzeugt, daß die mittlere Phasenlage in jedem der Bilder um einen bekannten Betrag verschieden ist. Ein einfaches Beispiel wären die mittleren Phasenlagen 0, —ψ- , -M^ oder 0, Ij ,Ii Diese mittleren Phasenlagen sind dem verwendeten Multiplexshearing-Interferometer durch die bei der Herstellung des Multiplexgitters angewendete Aufnahmetechnik ä priori eingegeben.

Die drei Shearbilder werden separat auf je einen flächenhaften Photοempfänger (ζ. B. Vidicon wie im Ausführungsbeispiel oder Diodenarray) gegeben und das Intensitätsbild über einen Analog-Digitalwandler A/D dem Speicher eines Mikro- oder Prozeßrechners R zugeführt. Dieser Rechner R bestimmt aus den Intensitäten Iq, I^ , I_x bzw. I₀, I , I₄^bZw. 2

aus drei anderen Intensitätswerten die Phase mod Tt- bzw. mod 2 Ti- .

Zur Berechnung v/erden die folgenden einfachen Beziehungen herangezogen:

Fall 1 Referenzphasen: 0, Ij ,%

I_n + I- - 2Ιχ

(g = arc tan

Fall 2 Referenzphasen: 0,

Φ = arc tan "1/3

²¹O -

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·* σ —

oder für beliebige Hilfsphasen wird eine trigonometrische Gleichung iterativ gelöst·

Pur die drei Ortsfunktionen mittlere Intensität, Visibility und Phase sind also wenigstens drei Gleichungen erforderlich, um die Separation durchführen zu können· Die separate Darstellung der drei Shearbilder mit dem vorgeschlagenen Multiplexshear-Interferometer ist dadurch möglich, daß drei Doppelfrequenzgitter, also insgesamt sechs Einzelgitter, überlagert gespeichert werden, derart, daß sich eine azimutale Trennung ergibt, wie in Pig· 3 gezeigt wird· . .

Es ist dafür zu sorgen, daß der Shear die gleiche Richtung bezüglich der Wellenfront hat·

Außerdem muß die mittlere Frequenz und das Azimut der einzelnen Gitter so gewählt werden, daß eine Trennung der einzelnen Beugungsordnungen möglich ist· Die Intensitäten in den einzelnen Shearbildern werden zunächst analog gespeichert dadurch, daß der Photοempfänger im Ladungsspeicherbetrieb arbeitete Die einzelnen Ladungsbilder werden dann nacheinander über den Analog-Digital-Wandler in den Speicher übertragen, wobei diese Zeit klein sein muß gegenüber dem Dreifachen der* Zerfalls zeit des Ladungsbildes·

Da Shearinginterferometer nur die partiellen Ableitungen, genommen in Shearrichtung, liefern, muß mittels Rechner die Eingangswellenfront numerisch konstruiert werden· Weil der Shear in ζ· Β· x-Richtung allein nicht ausreicht, um eine zweidimensionale Punktion zu charakterisieren, muß auch ein Shear in y-Richtung (oder eine andere) mit erfaßt werden·

Dies bedeutet, daß entweder zwei der beschriebenen Multiplexgitter in getrennten Strahlengängen eingesetzt werden oder aber ein Multiplexgitter, das 2x drei Doppelfrequenzgitter aufweist·

Ein derartiges Multiplexgitter kann mit der gleichen Vorrichtung nach Fig. 2 hergestellt werden, nur daß das HoIo-

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gramm. azimutal gedreht wird und die Verschiebung der drei Blendenelement en-Justierung relativ zum Referenzstrahl in z. B. y-Richtung vorgenommen wird.

Als lichtempfindliche Schicht, auf die das Multiplexgitter aufbelichtet wird, empfiehlt sich Dichromat-Gelatine.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe des vorgeschlagenen Multiplexshearing-Interferometers erhält man alle nötigen Informationen zur Berechnung der Eigenschaften eines Wellenfeldesφ Das Interferometer arbeitet besonders stabil gegenüber Erschütterungen. Durch die feste Phasenlage der Doppelfrequenzgitter untereinander brauchen keine aufwendigen Phasenschieber zur Auswertung eingesetzt zu werden.

Selbst bei Instabilitäten des Wellenfeldes wird die relative Phasenlage der drei bzw. sechs Shearinterferogranmie nicht verändert, was einen Einsatz der Anordnung auch bei Schwierigen Umweltbedingungen ermöglicht.

Claims

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Erfindungsanspruch

1· Verfahren zur Messung der Interferenzphasen einer Wellenfront, gekennzeichnet dadurch, daß eine kohärente Wellenfront auf ein Multiplexgitter mit drei azimutal gedrehten Doppelfrequenzgittern fokussiert wird und in drei ersten Beugungsardnungen die phasenverschiedenen Intensitätsbilder auf speichernden Empfängerarrays abgebildet und photοelektrisch gewandelt werden mit

anschließender Speicherung im Speicher eines Mikro- oder Prozeßrechnersο

2· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß Shear in zwei voneinander unabhängigen Richtungen erfolgt.

3· Anordnung zur Messung der Interferenzphasen einer Wellenfront, gekennzeichnet durch ein Multiplexgitter mit drei azimutal gedrehten Doppelfrequenzgittern, dem in Richtung der ersten Beugungsordnungen, in größerer Entfernung azimutal gedreht drei bis sechs Photoarrayempfanger nachgeschaltet sind, denen sich ein Multiplexer nur Steuerung der Zeitfolge der elektrischen Signale, ein Analog-Digitalwandler und ein Mikro- bzw. Prozeßrechner anschließen.

4· Verfahren zur Erzeugung eines Multiplexgitters für eine Torlichtung nach Punkt 3» gekennzeichnet dadurch, daß eine kohärente ebene Welle aperturmäßig geteilt und mittels vier Objektiven in die Pokalebene einer Pouriertransformationslinse fokussiert wird, dann von

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dieser in der hinteren Pokalebene gegeneinander geneigte ebene Wellen erzeugt werden, von denen je ein Paar sukzessiv auf einem dort befindlichen lichtempfindlichen Medium gespeichert werden und daß die , Erzeugung der Doppelfrequenzgitter derart erfolgt, daß drei der vier Objektive nebst Ortsfrequenzfilter lateral um den gewünschten Shearbetrag verschoben werden und daß bei dieser Zweitbelichtung die Phasenlage des ortsfesten vierten Objektivs um vorgegebene Werte mittels Phasenschieber im Strahlengang des ortsfesten Objektivs verändert wird·

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 4, gekennzeichnet durch vier gleiche Objektive, eine in der gemeinsamen Pokalebene der Objektive angeordnete Blendenplatte mit vier feinen Blendenöffnungen jeweils im Strahlengang der Objektive, wobei drei der Objektive mit den ihnen zugeordneten Blendenelementen eine lateral verschiebbare starre Baueinheit bilden, während ein Objektiv und dessen zugeordnetes Blendenelement ortsfest sind, einen Phasenschieber im Strahlengang des ortsfesten Objektivs, eine der Blendenplatte nachgeschaltete Pouriertransformationslinse, deren vordere Pokalebene rat der Pokalebene der Objektive zusammenfällt und in deren hinterer Pokalebene eine lichtempfindliche Schicht zur Aufzeichnung eines lIulfcLplexgitters angeordnet ist.

HienoiLJeHen Zeichnungen