DD158187A3

DD158187A3 - ZWEISTUFENINTERFEROMETER

Info

Publication number: DD158187A3
Application number: DD80222233A
Authority: DD
Inventors: Karlheinz Bechstein
Original assignee: Karlheinz Bechstein
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1980-06-30
Publication date: 1983-01-05
Also published as: GB2079000A; DE3112633A1; GB2079000B; SU1168800A1; FR2485718B1; JPS5714703A; FR2485718A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zweistufeninterferometer, insbesondere fuer Laengenmessungen, mit dem Ziel, die Genauigkeit bei interferometrischen Messsystemen zu erhoehen. D. Aufgabe umfasst eine Symmetrierung des Strahlenganges und damit eine von aeusseren Einfluessen, wie thermische Stoerungen u. Lageaenderungen, weitestgehend unabhaengige optische Weglaenge im Interferometer. Mess- und Referenzstrahlengang sind parallel. Geloest wird diese Aufgabe bei Zweistufeninterferometern mit einem Strahlenteiler, der beiderseitig zu seiner strahlenteilenden Flaeche jeweils eine weitere strahlenteilende Flaeche besitzt, dadurch, dass an dem dem Mess- und Referenzreflektor zugewandten Ende des Strahlenteilers ein Umlenkelement vorgesehen ist, welches optisch wirksame, die Lichtbuendel parallelrichtende Reflexionsflaechen besitzt, die mit der Interferenzebene des Strahlenteilers gleiche Winkel einschliessen. Die Strahlenaustrittsflaeche des Umlenkelementes verlaeuft zur Interferenzebene senkrecht.The invention relates to a two-stage interferometer, in particular for length measurements, with the aim of increasing the accuracy of interferometric measuring systems. D. Task includes a symmetrization of the beam path and thus one of external influences, such as thermal disturbances u. Position changes, largely independent optical path length in the interferometer. Measuring and reference beam path are parallel. This problem is solved in the case of two-stage interferometers with a beam splitter which has a further beam-splitting surface on both sides of its beam-splitting surface, in that a deflecting element is provided on the end of the beam splitter facing the measuring and reference reflector, which deflection optics are optically effective, the light beam parallel-facing reflection surfaces possesses the same angle with the interference plane of the beam splitter. The beam exit surface of the deflection element runs perpendicular to the interference plane.

Description

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Titel: ZweistufeninterferometerTitle: Two-Stage Interferometer

Field of application of the invention;

Die Erfindung "betrifft ein Zweistufeninterferometer, insbesondere für Längenmessungen. Das Zweistufeninterferometer arbeitet zur Bestimmung der Richtung der Längenänderungen mit zwei Interferenzbildern.The invention relates to a two-stage interferometer, in particular for length measurements The two-stage interferometer operates to determine the direction of the length changes with two interference images.

Characteristic of the known technical solutions

In der DD-PS 111.993 ist ein optisches Interferometer zur Erzeugung von zwei Interferenzbildern beschrieben, wobei der Strahlenteiler beidseitig, im wesentlichen parallel zu seiner strahlenteilenden Fläche angeordnet, jeweils eine weitere strahlenteilende teilverspiegelte Fläche aufweist. Diese Flächen lenken Lichtanteile der beiden Teillichtbündel des Interferenzbildes um und bringen diese nochmals miteinander zur Interferenz.In DD-PS 111.993 an optical interferometer for generating two interference images is described, wherein the beam splitter on both sides, arranged substantially parallel to its beam-splitting surface, each having a further beam-splitting teilverspiegelte surface. These surfaces redirect light components of the two partial light bundles of the interference pattern and bring them together once again for interference.

Bei diesem Zweistufeninterferometer, dem das Michelsonsche : Prinzip zugrundeliegt, wurde zwecks optimaler Festlegung des Referenzpunktes der interferometrischen Messung ein Koppelprisma vorgesehen, welches jedoch einen stark unsymmetrischen Strahlengang im Interferometer bedingt.In the case of this two-stage interferometer, which is based on Michelson's principle, a coupling prism was provided for the purpose of optimally defining the reference point of the interferometric measurement, but which causes a strongly asymmetrical beam path in the interferometer.

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Die günstigste Lage des Referenzpunktes und die Symmetrie im metrologisch empfindlichen Teil des Interferometers schließen bei diesem Interferometer einander aus. So ist es nicht möglich, z. B. im Auflösungsbereich 1CT⁸ ... 10^m über größere Meßzeiten nullpunktstabil messen zu können, weil die den Lichtweg bestimmenden Teile des Interferometers bei thermischen Störungen eine unterschiedliche Änderung der optischen Weglänge im Meß~ und Referenzstrahlengang zulassen.The most favorable position of the reference point and the symmetry in the metrologically sensitive part of the interferometer exclude each other in this interferometer. So it is not possible, for. B. in the resolution range 1CT ⁸ ... 10 ^ m to measure zero-point stable over longer measurement times, because the light path determining parts of the interferometer in thermal disturbances allow a different change in the optical path length in Mess ~ and reference beam path.

. Ziel der Erfindung , Object of the invention

Es ist Zweck der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und die Genauigkeit bei interferometrischen Meßsystemen zu erhöhen.It is an object of the invention to overcome the disadvantages of the prior art and to increase the accuracy of interferometric measuring systems.

Darlegung des f/esens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Symmetrierung des Strahlenganges bei Zweistufeninterferometern und interferometrischen Meßsystemen und damit eine von äußeren Einflüssen weitgehend unabhängig.· optische Weglänge im Interferometer zu erzielen, und gleichzeitig eine parallele Lage von Meß- und Referenzstrahlengang zu gewährleisten.The invention is based on the object of achieving a symmetrization of the beam path in the case of two-stage interferometers and interferometric measuring systems and thus largely independent of external influences. Optical path length in the interferometer, and at the same time a parallel position of the measuring and To ensure reference beam path.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei Zweistufeninterferometern mit einem Strahlenteiler, der beiderseitig zu seiner strahlenteilenden Fläche jeweils eine weitere strahlenteilende teilverspiegelte Fläche bestitzt, dadurch gelöst, daß an dem dem Meß« und Referenzreflektor zugewandten Ende des Strahlenteilers ein. einteiliges oder ein aus mehreren, unabhängig voneinander justierbaren Einzelprismen zusammengesetztes Umlenkelement angeordnet ist, daß das Umlenkelement optisch wirksame, die Lichtbündel parallelrichtende Reflexionsflächen besitzt, die mit der Interferenzebene vorzugsweise gleiche Winkel einschließen, und daß das Umlenkelement eine Strahlen-According to the invention, in the case of two-stage interferometers with a beam splitter, which in each case has a further beam-splitting, partially mirrored surface with respect to its beam-splitting surface, this object is achieved in that at the end of the beam splitter facing the measuring and reference reflector. one or a plurality of independently adjustable individual prisms composed deflecting element is arranged, that the deflecting optically effective, the light beam has parallel-reflecting reflection surfaces, which preferably include the same angle with the interference plane, and that the deflecting a radiation

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austrittsflache besitzt, welche zur Interferenzebene senkrecht verläuft.Has exit surface, which is perpendicular to the interference plane.

Dabei ist es vorteilhaft, daß der Strahlenteiler an seinem dem Meß- und Referenzreflektor zugewandten Ende eine Schnittfläche besitzt, an v/elcher das Umlenke lerne nt angeordnet ist und die senkrecht zur Interferenzebene verläuft Eine technologisch einfach zu realisierende Lösung wird erreicht, wenn die Einzelprismen des Umlenkelementes symme· trisch zur Interferenzebene angeordnet und zu einem Umlenk· prisma vereinigt sind, wobei die StrahlenaustrittsflächenIt is advantageous that the beam splitter has at its the measuring and reference reflector end facing a cutting surface, on v / elcher the deflection learning nt is arranged and perpendicular to the interference plane A technologically easy to implement solution is achieved when the individual prisms of The deflecting element is arranged symmetrically to the interference plane and combined to form a deflection prism, wherein the radiation exit surfaces

der Einzelprismen angenähert in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Interferenzebene verläuft. of the individual prisms are approximately in a plane that is perpendicular to the interference plane.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei dem Zweistufeninter ferometer die die Interferenzebene umfassende Fläche und die dazu parallel verlaufenden, strahlenteilenden Flächen in Richtung des Meß- und Referenzstrahlenganges verlängert sind, und daß an den nicht teilverspiegelten Yerlängerunge dieser Flächen die Lichtbündel umlenkende und parallelrichtende Auskoppelprismen angeordnet sind.It is particularly advantageous if in the Zweistufeninter ferometer the surface of the interference plane and extending parallel thereto, beam-splitting surfaces are extended in the direction of the measuring and reference beam path, and that are arranged on the non-partially mirrored Yerlängerunge these surfaces the light beam deflecting and parallel-directing decoupling prisms ,

Durch die Erfindung-wird ein paralleler Verlauf des Meß- und Referenzstrahlenganges bei Zweistufeninterferometern und Symmetrie zwischen diesen Strahlengängen innerhalb des Strahlenteilers erreicht. Hieraus erwächst eine größere Genauigkeit der mit solchen Interferometern ausgerüsteten Geräte, v/eil auch über größere Meßzeiten hinweg die optische Weglänge im Meß- und Referenzstrahlengang innerhalb des Interferometers trotz auftretender Temperaturänderungen konstant bleiben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der gesamte Interferometerstrahlengang gegen kleine Kippungen des Interferometers unempfindlich ist. Die einzelnen Teile des Interferometers sind einfach im Aufbau. *The invention achieves a parallel course of the measurement and reference beam path in the case of two-stage interferometers and symmetry between these beam paths within the beam splitter. This results in a greater accuracy of equipped with such interferometers devices, v / eil even over longer measurement times away the optical path length in the measurement and reference beam within the interferometer remain constant despite occurring temperature changes. Another advantage is that the entire interferometer beam path is insensitive to small tilting of the interferometer. The individual parts of the interferometer are simple in construction. *

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embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments. In the accompanying drawing show:

Fig. 1 einen Strahlenteiler mit einstückigem Umlenkprisma, Pig. 2 einen Strahlenteiler mit zusammengesetztem Umlenkprisma undFig. 1 is a beam splitter with one-piece deflection prism, Pig. 2 a beam splitter with composite deflection prism and

Pig. 3 einen Strahlenteiler mit verlängerten Flächen. Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Zweistufeninterferometer, wie es insbesondere für die Messung von Längen ' und Verschiebungen angewendet wird, umfaßt vorteilhaft als Lichtquelle 1 einen Laser, einen Strahlenteiler 2 mit einer strahlenteilenden, teilverspiegelten, als Interferenzebene 3 dienenden Fläche zur Erzeugung zweier getrennter Lichtbündel 4 und 5 und imr.Lichtweg dieser Lichtbündel 4 und 5 gelegene Reflektoren. So ist im Lichtweg des Lichtbündels 4 ein verschiebbarer Meßreflektor 6 und im Lichtweg des Lichtbündels 5 ein fester Referenzreflektor 7 angeordnet, wobei diese Reflektoren vorteilhaft als Tripelspiegel ausgebildet sind. Beiderseitig der Interferenzebene 3 ist im Strahlenteiler 2 jeweils eine weitere strahlenteilende , teilverspiegelte Fläche 8 und 9 vorgesehen, welche parallel zur Interferenzebene 3 verlaufen und symmetrisch zu dieser gelegen sind. An seinem dem Meß-nnd Referenzreflektor 6 und 7 zugewandten Ende besitzt der Strahlenteiler 2 eine Schnittfläche 10, an welcher ein einteiliges (Fig. 1) oder ein aus mehreren, unabhängig voneinander justierbaren Einzelprismen 11 und 12 (Fig. 2) zusammengesetztes Umlenkelement 13 angeordnet ist. Das Umlenkelement 13 hat optisch wirksame Reflexionsflächen 14 und 15, welche mit der Interferenzebene 3 vorzugsweise gleiche Winkel einschließen. Diese Winkel sind soPig. 3 a beam splitter with extended surfaces. The two-stage interferometer shown in FIGS. 1 and 2, as used in particular for the measurement of lengths and displacements, advantageously comprises a laser as light source 1, a beam splitter 2 with a beam-splitting, partially mirrored surface serving as interference plane 3 for producing two separate Light beams 4 and 5 and imr.Lichtweg these light beams 4 and 5 located reflectors. Thus, in the light path of the light beam 4, a displaceable measuring reflector 6 and in the light path of the light beam 5, a fixed reference reflector 7 is arranged, these reflectors are advantageously designed as a triple mirror. On both sides of the interference plane 3, a further beam-splitting, partially mirrored surface 8 and 9 is provided in the beam splitter 2, which run parallel to the interference plane 3 and are located symmetrically to this. At its end facing the measuring and reference reflector 6 and 7, the beam splitter 2 has a cutting surface 10 on which a one-piece (FIG. 1) or a deflecting element 13 composed of a plurality of independently adjustable individual prisms 11 and 12 (FIG. 2) is arranged is. The deflecting element 13 has optically effective reflection surfaces 14 and 15, which preferably include equal angles with the interference plane 3. These angles are like that

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dimensioniert, daß die Lichtbündel 4 und 5 des Meß- und Referenzstrahlenganges parallel verlaufen. Eine Justierung der Reflexionsflächen 14 und 15 ist bei der Ausführung gemäß Fig. 2 in gewissen Grenzen möglich, indem dazu die Dicke der Kittschicht zwischen den Einzelprismen 11 und 12 und zwischen der Schnittfläche 10 und den Einzelprismen 11 und 12 ausgenutzt wird. Das Umlenkelement 13 besitzt eine Strahlenaustrittsfläche 16, die senkrecht zur Interferenzebene 3 verläuft. Bei der Anordnung nach Pig. 2 sind die Strahlenaustrittsflächen 17 und 18 der Einzelprismen 11 und 12 so vorgesehen, daß sie angenähert in f'"V . einer Ebene liegen, die senkrecht zur Interferenzebene verläuftdimensioned that the light beams 4 and 5 of the measuring and reference beam path are parallel. An adjustment of the reflection surfaces 14 and 15 is in the embodiment of FIG. 2 within certain limits possible by the thickness of the cement layer between the individual prisms 11 and 12 and between the cutting surface 10 and the individual prisms 11 and 12 is utilized. The deflecting element 13 has a radiation exit surface 16, which runs perpendicular to the interference plane 3. When arranged according to Pig. 2, the beam exit surfaces 17 and 18 of the individual prisms 11 and 12 are provided so as to lie approximately in the plane of a plane perpendicular to the interference plane

Eine besonders vorteilhafte Ausführung eines Strahlenteiler 19 des Zweistufeninterferometers ist in Pig. 3 dargestellt. Der Strahlenteiler 19 ist, wie aus der Pig. 3 ersichtlich, vorteilhaft aus zwei planparallelen Platten 20 und 21 zusammengesetzt, wobei die Plächen 22, 23 und 24 in einem bestimmten, den Strahlenteiler bestimmenden Teil, teilverspiegelt sind. Diese Plächen 22, 23 und 24 sind in. Richtung des Meß- und Referenzreflektors 6 und 7 verlängert, wobei diese Verlängerungen nicht teilverspiegelt sind. An den Verlängerungen der Plächen 22 und 24 befinden sich, die ^ Lichtbündel umlenkende und parallelrichtende Auskoppel- - J 25 prismen 27 und 28. Die Fläche 23 stellt die Interferenzebene analog zu Fig. 1 und 2 darA particularly advantageous embodiment of a beam splitter 19 of the two-stage interferometer is in Pig. 3 shown. The beam splitter 19 is, as from the Pig. 3, advantageously composed of two plane-parallel plates 20 and 21, wherein the faces 22, 23 and 24 in a certain, the beam splitter determining part, are partially mirrored. These surfaces 22, 23 and 24 are extended in the direction of the measuring and reference reflectors 6 and 7, these extensions are not partially mirrored. Are on the extensions of the Plächen 22 and 24, the ^ light beam deflecting and collimating coupling-out - J 25 prisms 27 and 28. The surface 23 provides the interference plane analogously to Figures 1 and 2 illustrate.

Eine Einstellung und Symmetrierung der Lichtwege des Meß- An adjustment and symmetrization of the light paths of the measuring

und Referenzstrahlenganges innerhalb des Interferometers ist bei der Ausführung nach Fig. 3 durch ein Justieren der Auskoppelprismen 27 und 28 zueinander erreichbar, indem diese Prismen entlang den Verlängerungen der Plächen 22 und 24 verschoben und unter Ausnutzung der Dicke der Kittschicht verkippt werden.and Reference beam path within the interferometer is in the embodiment of FIG. 3 by adjusting the decoupling prisms 27 and 28 reachable to each other by these prisms along the extensions of the faces 22 and 24 are shifted and tilted by utilizing the thickness of the cement layer.

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Anhand der Pig. 3 soll die Punktion des Zweistufeninterferometers beschrieben werden, wobei die Punktion der Ausführungen nach den Figuren 1 und 2 analog ist. Das von der Lichtquelle 1, einem laser, ausgehende und kollimierte Lichtbündel wird über ein am Strahlenteiler 2, 19 angeordnetes Einkoppelprisma 29 in den oberen Teil desselben eingeleitet. Das Einkoppelprisma 29 ist vorgesehen, um die Richtungen des einfallenden Lichtbündels und der Lichtbündel 4 und 5 gleich zu machen, was für manche Meßzwecke vorteilhaft ist. Andererseits kann grundsätzlich auch das Lichtbündel über das Prisma 30 in den Strahlenteiler 2, eingeleitet werden. Das eingeleitete Strahlenbündel durchsetzt die Teilerschicht der Fläche 23 und wird hier in. zwei Lichtbündel 4 und 5, die den Meß- und Referenzstrahlengang darstellen, aufgeteilt. Diese Lichtbündel 4 und 5 verlassen über die Auskoppelprismen 27 und 28 das Interferometer und werden durch den Meßreflektor 6 und den Referenzreflektor 7 in den unteren Teil des Strahlenteilers 2, 19 versetzt und in der Teilerschicht der Fläche 23, die die Interferenzebene darstellt, zur Interferenz gebracht.Look at the Pig. 3, the puncture of the two-stage interferometer will be described, the puncture of the embodiments according to FIGS. 1 and 2 being analogous. The from the light source 1, a laser, outgoing and collimated light beam is introduced via a arranged on the beam splitter 2, 19 Einkoppelprisma 29 in the upper part thereof. The coupling prism 29 is provided to make the directions of the incident light beam and the light beams 4 and 5 equal, which is advantageous for some measurement purposes. On the other hand, in principle, the light beam via the prism 30 in the beam splitter 2, are introduced. The introduced beam passes through the splitter layer of the surface 23 and is here in. Split two light beams 4 and 5, which represent the measuring and reference beam path. These light beams 4 and 5 leave the interferometer via the decoupling prisms 27 and 28 and are brought into interference by the measuring reflector 6 and the reference reflector 7 in the lower part of the beam splitter 2, 19 and in the splitter layer of the surface 23, which represents the interference plane ,

Von dort gelangen die Teilbündel, die bereits die Interferenzinformation enthalten, gemäß dem bekannten 2weistufenprinzip über die Teilerschichten der Flächen 22 und 23 und die Prismen 30 und 31 auf Signalempfänger 32 und 33 bzv/. als reflektierter Lichtanteil von den Teilerschichten der Flächen 22 und 24 zur zweiten Interferenz in der Ebene der Fläche 23 und von dort zu den Signalempfängern 34 und 35.From there, the sub-beams, which already contain the interference information, according to the known two-step principle, pass over the divider layers of the areas 22 and 23 and the prisms 30 and 31 to signal receivers 32 and 33. as reflected light portion from the splitter layers of the surfaces 22 and 24 to the second interference in the plane of the surface 23 and thence to the signal receivers 34 and 35.

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Claims

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Invention claim :

1. two-stage interferometer, in particular for length measurements, with a light source, a beam splitter with a beam splitting, partially mirrored, serving as an interfering plane surface for generating two separate light bundles, arranged in the light path of the first light Meßreflektor-iand arranged in the light path of the second light beam reference reflector, wherein the beam splitter on both sides of the plane forming the interference plane one each

'ζ ~ \ · has further beam-splitting, teilverspiegelte surface and these surfaces are symmetrical to the interference plane, characterized in that arranged on the measuring and reference reflector end of the beam splitter is a one-piece or a plurality of independently adjustable individual prisms composed deflecting element, the deflecting element has optically effective reflection surfaces which have the same direction as the light bundles and which preferably enclose equal angles with the interference plane, and in that the deflecting element has a radiation exit surface which runs perpendicular to the interference plane.

2. two-stage interferometer according to item 1, characterized in that the beam splitter has at its, the measuring and reference reflector facing E.nde- a sectional area on which the deflecting element is arranged and which is perpendicular to the interference plane.

3. Two-stage interferometer according to item 1 and 2, characterized in that the individual prisms of the deflecting element are arranged symmetrically to the interference plane and combined to form a deflecting prism, wherein the beam exit surfaces of the individual prisms approximated

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lying in a plane perpendicular to the interference plane ·

4. Two-stage interferometer according to item 1, characterized? that the interference plane comprehensive surface and the parallel, beam-splitting surfaces in the direction of the measuring and reference beam nganges are extended, and that are arranged on the non-partially mirrored extensions of these surfaces, the light beam deflecting and parallel-directing decoupling prisms.

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