DE10005696A1 - Periodisch arbeitender optischer Weglängenmodulator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Weglängenmodulator zur periodischen Veränderung der optischen Weglänge eines Lichtstrahls, dessen 4 Spiegel paarweise auf zwei Trägerplatten so angeordnet sind, daß jeweils zwei raumdiagonal gegenüberliegende Spiegelflächen parallel zueinander sind und um eine gemeinsame Achse drehbar sind oder rotieren. Der Lichtstrahl wird nach dem ersten Durchlauf durch den Modulator an einem Retroreflektor in sich reflektiert und durchläuft den Modulator in zweites Mal. Der Modulator besitzt gegenüber dem Doppelspiegel-Weglängenmodulator etwa doppelt so breite Spiegel, was zu einer Verbesserung des duty cycle um rund 100% führt.

Description

Diese Erfindung betrifft einen Weglängenmodulator zur periodischen Veränderung der optischen Weglänge eines Lichtstrahls in der optischen Interferometrie, Spektrometrie, Holographie und Tomographie.

Stand der Technik

In der optischen Interferometrie, Spektrometrie, Holographie und Tomographie ist es eine immer wieder auftretende Aufgabe, die optische Weglänge in einem Strahlengang zu verändern. Das kann entweder im Meßstrahl oder im Referenzstrahl des Interferometers, des Spektrometers oder der interferometrischen Anordnung in der Holographie und Tomographie erfolgen.

Ein einfaches Beispiel für einen Weglängenmodulator ist ein in Strahlrichtung bewegter Reflektor, der einen normal zur Spiegelfläche auftreffenden Lichtstrahl in sich reflektiert. Solche Reflektoren können Planspiegel sein oder Dachkantprismen, wie in den Veröffentlichungen C. N. Ironside, D. J. Morris: A self-aligning scanning optical delay line. In: J. Phys. E: Sci. Instr. 17 (1984), Nr. 440-441 und C. Doland, W. B. Jackson, A. Andersson: Beam overlap for long delay lines using active feedback. In: Opt. Lett. 12, 1987 (2), Nr. 96-98, und in der Gebrauchsmuster-Anmeldung H. M. Hauenstein: Vorrichtung zur einstellbaren zeitlichen Verzögerung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Lichtstrahlen, DE 297 12 337 U1, 1997, beschrieben.

Ein Beispiel für einen periodisch arbeitenden Weglängenmodulator ist in der internationalen PCT-Anmeldung WO 92/19930 "Method and apparatus for optical imaging and measurement" (Prioritätsdatum: 29. April 1991; Erfinder: D. Huang, J. G. Fujimoto, C. A. Puliafito, C. P. Lin, J. S. Schuman) beschrieben. Dort wird ein periodisch bewegtes Dachkantprisma als Reflektor benutzt, um die Weglänge des Referenzlichtstrahls in einem optischen Tomographiegerät zu modulieren. Ein anderes Beispiel für einen periodisch arbeitenden Weglängenmodulatore ist ein rotierender Glaswürfel, der die optische Weglänge eines hindurch gehenden Lichtstrahls in Abhängigkeit von seinem azimutalen Winkel verändert (Szydlo, J.; Delachenal, N.; Gianotti, R.; Wälti, R.; Bleuler; H.; Salathé, R. P.: In: Opt. Commun. 154 (1998), S. 1 ff).

Bei den Meßtechniken der optischen Interferometrie, Spektrometrie, Holographie und Tomographie ist es andererseits aber auch oft erforderlich, eine im Meßstrahl vorliegende Dispersion durch eine gleich große Dispersion im Referenzstrahl zu kompensieren. In diesem Fall muß im Meßstrahl eine durch die optischen Medien des Meßobjekts und die dort vorliegenden Weglängen bestimmte Dispersion gezielt nachgebildet werden. In gewissen Fällen muß darüber hinaus die im Referenzstrahl realisierte Dispersion von der Weglängenänderung abhängig sein; in manchen Fällen muß sie wiederum Null sein. Dieser Forderung können die oben angeführten periodisch arbeitenden Modulatoren nicht genügen, weil sie die Weglängenmodulation in dispergierenden Medien realisieren. Dadurch sind Weglängenmodualtion und Dispersionskompensation nicht unabhängig voneinander einstellbar.

Ein Beispiel für einen periodisch arbeitenden dispersionsfreien Weglängenmodulator ist ein Doppelspiegel, wie in der Abb. 1 im Grundriß dargestellt. Dort trifft der Lichtstrahl 1 zunächst auf den Planspiegel 2, wird von diesem zum Planspiegel 3 reflektiert und von diesem schließlich zum Retroreflektor 4, der den Lichtstrahl in sich zurück reflektiert. Der aus den Planspiegeln 2 und 3 bestehende Doppelspiegel ist auf einer Platte 5 montiert, die um die normal zur Zeichenebene orientierte Achse 6 drehbar ist. Durch Drehen des Doppelspiegels ändert sich die optische Weglänge des Lichtstrahls 1 zum Retroreflektor 4. Diese Funktion ist bei der in der Abb. 1 angedeuteten Anordnung bis zur gestrichelt eingezeichneten Position der Planspiegel gewährleistet, also etwa bis zu einem Drehwinkel von β = 25°. Wird β größer, geht der Lichtstrahl 1 an dem Planspiegel 2 vorbei oder trifft auf dessen Rückseite. Da der gesamte Weg zwischen den Spiegeln 2, 3 und 4 in Luft verläuft, ist der Lichtstrahl praktisch keiner Dispersionswirkung ausgesetzt. Solche Doppelspiegel- Weglängenmodulatoren sind beispielsweise Inhalt der Patentanmeldungen C. V. Perkins (Philips): Optical path length variation, UK 2 162 334 A, 1984, und C. V. Perkins (Philips): Interferometer, EPA 0 171 836 A2, 1984.

Ein wichtiges Kriterium bei allen Meßtechniken der optischen Interferometrie, Spektrometrie, Holographie und Tomographie ist die Größe des sogenannten "duty cycle." Darunter versteht man den Prozentsatz der von dem Meßverfahren tatsächlich genutzten Meßzeit, bezogen auf die vom Gerät dazu benötigte Zeitspanne. Der in der Abb. 1 skizzierte Doppelspiegel-Weglängenmodulator beispielsweise moduliert die optische Weglänge eines eintreffenden Lichtstrahls 1 pro Umdrehung zweimal etwa für β = 25°. Daher beträgt der duty cycle hier (bezogen auf eine volle Umdrehung) nur etwa 50°/360° = 14%.

Das bedeutet, daß ein solcher Weglängenmodulator nur etwa 14% der Meßzeit ausnutzt. Das bedeutet aber auch, daß ein auf einem solchen Doppelspiegel-Weglängenmodulator basierendes Meßgerät im Vergleich zu einem anderen, welches einen größeren duty cycle aufweist, bei gegebener Meßzeit ein schlechteres Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit ein ungenaueres Ergebnis liefern wird. Der "duty cycle" ist daher ein außerordentlich wichtiges technisches Kriterium. Bei einfachen Doppelspiegel-Anordnungen, wie jener der Abb. 1, ist der duty cycle nicht sehr groß.

Ein weiterer periodisch arbeitender dispersionsfreier optischer Weglängenmodulator ist in der Europäischen Patentanmeldung V. Tank, B. Jansen, K. Schneider, P. Haschberger und E. Lindermeier (Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e. V.): Interferometer nach Michelson., EPA 0 634 636 A1, 1993, beschrieben. Hier werden beide Teilstrahlen, deren Wegdifferenz moduliert werden soll, auf ein rotierendes Doppelspiegelsystem gerichtet. Die beiden parallel zueinander orientierten Spiegel sind exzentrisch zur Drehachse angeordnet. Hier lassen sich zwar große duty cycle Werte erreichen, jedoch ist wegen der Arbeitsweise dieses Modulators für eine Dispersionskompensation ein räumlich außerordentlich komplexes dispergierendes Prisma erforderlich, was durch optisches Schleifen kaum herstellbar sein dürfte.

Es ist daher die technische Aufgabe der Erfindung, einen optischen Weglängenmodulator anzugeben, welcher auf einfache Weise eine optische Weglängenänderung für Lichtstrahlen mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht, dabei eine beliebige Dispersion, die auch Null gewählt werden kann, in den Lichtstrahlweg einzuführen erlaubt und einen höheren duty cycle aufweist, als vergleichbare Doppelspiegel-Anordnungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtstrahl (1) durch einen 4- Spiegel-Weglängenmodulator geleitet wird, dessen Drehachse unter einem Winkel ≠90° zum eintreffenden Lichtstrahl orientiert ist und dessen 4 Spiegel paarweise auf zwei Trägerplatten so angeordnet sind, daß jeweils zwei raumdiagonal gegenüber liegende Spiegelflächen parallel zueinander sind und die um eine gemeinsame Achse (6) drehbar sind oder rotieren und der Lichtstrahl an einem Retroreflektor (4) in sich reflektiert wird.

Dadurch können die einem Doppelspiegel entsprechenden Planspiegel 2 und 3 etwa doppelt so breit ausgebildet werden, was zu einer Verbesserung des duty cycle um rund 100% führt. Ferner können vor dem Retroreflektor 4 dispergierende Planplatten und Prismen einfacher Form zur Dispersionskompensation angebracht werden.

Die Erfindung wird anhand der Abb. 1 bis 4 erklärt.

Abb. 1 zeigt das Prinzip eines bekannten Doppelspiegel-Weglängenmodulators.

Abb. 2 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen 4-Spiegel-Weglängenmodulators.

Abb. 3 erläutert ein Konstruktionsdetail des erfindungsgemäßen 4-Spiegel-Weglängen­ modulators.

Abb. 4 zeigt den Doppelspiegel-Weglängermnodulator mit Dispersionskompensation im Grundriß.

Abb. 5 zeigt den Doppelspiegel-Weglängenmodulator mit weglängenabhängiger Dispersionskompensation im Grundriß.

Die Ziffern in den Abbildungen bedeuten:

1 Lichtstrahl
2 Planspiegel
3 Planspiegel
4 Planspiegel als Retroreflektor
5 Trägerplatte der Doppelspiegelanordnung
6 Drehachse des Weglängenmodulators
7 Trägerplatten der Planspiegel 9 und 10
8 Strahlteiler und Auskoppelspiegel für den modulierten Lichtstrahl 30
9 Planspiegel des erfindungsgemäßen Weglängenmodulators
10 Planspiegel des erfindungsgemäßen Weglängenmodulators
11 Planspiegel des erfindungsgemäßen Weglängenmodulators
12 Planspiegel des erfindungsgemäßen Weglängenmodulators
13 Trägerplatte der Planspiegel 11 und 12
14 und 14' Montagestege für die Trägerplatte 13
20 Planplatte oder gefüllte Küvette
21 Prisma oder gefüllte prismenförmige Küvette
30 weglängenmodulierter Lichtstrahl

Die Abb. 2 erläutert das Prinzip des erfindungsgemäßen Doppelspiegel-Weglängen­ modulators. Die Drehachse 6 ist unter einem Winkel γ ≠ 90° zum Lichtstrahl 1 geneigt.

Durch die Neigung der Drehachse 6 können hier die den Planspiegeln 2 und 3 im Modulator der Anordnung nach Abb. 1 entsprechenden Spiegel 9 und 10 breiter gestaltet werden. Allerdings werden jetzt zwei zusätzliche Planspiegel (11 und 12) auf einer zur Spiegelmontageplatte 5 parallel versetzten Spiegelmontageplatte 13 benötigt. Außerdem müssen die Reflektorflächen der Planspiegel 9, 10, 11 und 12 relativ zur Drehachse 6 geneigt sein.

Der Lichtstrahl 1 trifft zunächst auf den Spiegel 9 und wird von diesem auf den Spiegel 11 reflektiert, und von diesem weiter parallel zur ursprünglichen Richtung zu dem Retroreflektor 4. Dasselbe erfolgt nach einer Drehung des Weglängenmodulators um den Winkel 180° an den Spiegeln 10 und 12. Die Spiegelflächen der Spiegel 9 und 11, sowie der Spiegel 10 und 12 sind jeweils paarweise zueinander parallel. Die Spiegel 9 und 10 sind auf der Platte 5 befestigt, die Spiegel 11 und 12 auf der Platte 13. Die Platte 13 ist ihrerseits, wie in der Abb. 3 angedeutet, beispielsweise mittels zweier Stege 14 und 14', fest mit der Platte 5 verbunden.

In vielen Fällen ist es zusätzlich erforderlich, daß die Wegstrecke, durch die der Lichtstrahl 1 in dem Modulator verläuft, einen festen Betrag von Dispersion aufweist. Das kann durch Anordnung eines dispergierenden Mediums wie Glas oder eine Flüssigkeit (in einem Behälter) im Weg des Lichtstrahls erreicht werden. Das ist in der Abb. 4 angedeutet. Dort ist der 4-Spiegel-Weglängenmodulator im Grundriß gezeichnet. Die zwei dicken Linien bedeuten die Planspiegel 9 und 10 bzw. 11 und 12. Der eintreffende Lichtstrahl 1 tritt in der Stellung der dick gezeichneten Planspiegel nur in der Höhe normal zur Zeichenebene versetzt.

Claims (3)

1. Optischer Weglängenmodulator zur periodischen Veränderung der optischen Weglänge eines Lichtstrahls in der optischen Interferometrie, Spektrometrie, Holographie und Tomographie, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Lichtstrahl (1) durch einen 4-Spiegel- Weglängenmodulator geleitet wird, dessen Drehachse unter einem Winkel ≠ 90° zum eintreffenden Lichtstrahl orientiert wird und dessen 4 Spiegel paarweise auf zwei Trägerplatten so angeordnet sind, daß jeweils zwei raumdiagonal gegenüber liegende Spiegelflächen parallel zueinander sind und die um eine gemeinsame Achse (6) drehbar sind oder rotieren und der Lichtstrahl an einem Retroreflektor (4) in sich reflektiert wird.

2. Optischer Weglängenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Retroreflektor (4) zusätzlich eine Planplatte (20) oder eine flüssigkeitsgefüllte Küvette mit planparallelen Fenstern angeordnet ist.

3. Optischer Weglängenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Retroreflektor (4) zusätzlich eine flüssigkeitsgefüllte prismenförmige Küvette oder ein Prisma (21) angeordnet ist.