DE1236232B

DE1236232B - Device for measuring optical path length differences

Info

Publication number: DE1236232B
Application number: DE1964G0041259
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr-Ing H Rottenkolber
Original assignee: HANS ROTTENKOLBER DIPL ING DR
Current assignee: HANS ROTTENKOLBER DIPL ING DR
Priority date: 1964-08-04
Filing date: 1964-08-04
Publication date: 1967-03-09

Description

Vorrichtung zum Messen von optischen Weglängendifferenzen Zur Messung von optischen Weglängendifferenzen, wie sie bei Strömungsvorgängen, Vorgängen bei der Wärme- und Stoffübertragung, in der Mikroskopie, an inhomogenen durchsichtigen und reflektierenden Flächen auftreten, wurden bereits eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren entwickelt.Device for measuring optical path length differences For measurement of optical path length differences, as they occur in flow processes the heat and mass transfer, in microscopy, in inhomogeneous transparent and reflective surfaces occur, a number of devices have been used and procedures developed.

Hierbei wurden grundsätzlich zwei Wege beschritten: Die Schatten- und Schlierenverfahren sprechen auf den Brechzahlgradienten an, die Zweistrahl-Interferenzverfahren in erster Linie unmittelbar auf das Brechzahlfeld. Basically, two paths were taken: The shadow and Schlieren methods respond to the refractive index gradient, the two-beam interference method primarily directly on the refractive index field.

Das von Toepler angegebene Schlierenverfahren erfuhr im Lauf der Zeit zahlreiche Abwandlungen hinsichtlich der Anordnung sowohl als auch der Vorrichtungen, welche Schardin (Ergebn. exakt. The Schlieren process specified by Toepler learned in the course of the Numerous modifications in terms of the arrangement as well as the devices, which Schardin (result exactly.

Naturw., 20 (1942), 5. 303/439) zusammenfassend beschreibt. Die Meßgenauigkeit und die Empfindlichkeit der Schlierenverfahren ist jedoch beschränkt.Naturw., 20 (1942), 5. 303/439) summarizes. The measurement accuracy however, the sensitivity of the Schlieren method is limited.

Einen Fortschritt bedeutet die Anwendung des Interferenzprinzips; die Interferenzlinien stellen eine bequem vermeßbare Art der Aufzeichnung dar. The application of the principle of interference means a step forward; the interference lines represent a conveniently measurable type of recording.

Die Voraussetzung der Interferenzentstehung bei dem Zweistrahl-Interferenzverfahren kann grundsätzlich auf zweierlei Art geschaffen werden: 1. Das Parallellichtbündel wird in zwei kohärente Bündel geteilt, wobei die »Teilerplatten« mindestens die Abmessungen des untersuchten Gegenstandes haben müssen. In Weiterentwicklung des Interferometers nach Jamin und der Methode nach Sirks und Pringsheim haben Mach und Zehnder (Zeitsch. Instr., 53 [1933], S. 396/403, 424/436) ein heute häufig angewandtes Interferometer angegeben. The prerequisite for the generation of interference in the two-beam interference method can basically be created in two ways: 1. The parallel light beam is divided into two coherent bundles, with the "divider plates" at least the Dimensions of the examined object must have. In the further development of the Interferometers according to Jamin and the method according to Sirks and Pringsheim have Mach and Zehnder (Zeitsch. Instr., 53 [1933], pp. 396/403, 424/436) a frequently used one today Interferometer specified.

Modifikationen des Gerätes nach Mi chels on (deutsche Patentschrift 825 755) dienen der Prüfung von optischen Erzeugnissen. Diese Geräte sind durchwegs sehr aufwendig, und die nötige Präzision ist nur durch langwieriges Justieren erfahrener Fachkräfte zu erreichen.Modifications of the device according to Michel on (German patent specification 825 755) are used to test optical products. These devices are consistently very complex, and the necessary precision is only more experienced through tedious adjustments Reach skilled workers.

2. Die offensichtlichen Vorteile optischer Interferenzmeßmethoden führten zur Entwicklung einfacherer und billigerer Geräte, freilich unter manchem Verzicht auf die universellen Eigenschaften des Mach-Zehnder-Interferometers. Diese Geräte bewerkstelligen die Lichtstrahlteilung in der Lichtquelle bzw. deren Bild. Da die Lichtquelle klein ist, sind die Vorrichtungen zur Lichtstrahlteilung billiger und bequemer zu justieren. Das »Diffraction-Grating«-Interferometer nach Kraushaar (J. Opt. Soc. 2. The obvious advantages of optical interference measurement methods led to the development of simpler and cheaper devices, of course under some Dispensing with the universal properties of the Mach-Zehnder interferometer. These Devices manage the light beam splitting in the light source or its image. Since the light source is small, the light beam splitting devices are cheaper and more convenient to adjust. The "diffraction grating" interferometer according to Kraushaar (J. Opt. Soc.

Amer., 40 [1950], 5. 480/481) benutzt zwei Gitter zur Interferenzherstellung, welche aufwendig und nicht einfach einzurichten sind. Die von Erdmann (Apl. sci. Res., B2 [1951], S. 149/198) nach seinem »Feldabsorptionsverfahren« hergestellten Bilder weisen einen ungenügenden Kontrast auf. Mit polarisiertem Licht und Wollaston-Prismen arbeiten die »Differential-Interferometer« (Publ. sci. et tech. du Ministr. del'air, Nr. 338 [195?]), welche die interferometrische Bestimmung der Differenzenquotienten der Brechzahl erlauben.Amer., 40 [1950], 5. 480/481) uses two gratings to produce interference, which are complex and not easy to set up. The von Erdmann (Apl. Sci. Res., B2 [1951], p. 149/198) according to his "Field absorption process" produced Images have insufficient contrast. With polarized light and Wollaston prisms work the »differential interferometer« (Publ. sci. et tech. du Ministr. del'air, No. 338 [195?]), Which describes the interferometric determination of the difference quotient allow the refractive index.

Mit sämtlichen genannten Interferenzverfahren kann keine Aussage über das Vorzeichen des Brechzahlgradienten gemacht werden, weswegen bei verwickelten Untersuchungen (z.B. Stoßwellen, Glasinhomogenitäten) die Interferogramme durch Schlierenaufnahmen ergänzt werden müssen. No statement can be made with any of the above-mentioned interference methods can be made via the sign of the refractive index gradient, which is why with tangled Investigations (e.g. shock waves, glass inhomogeneities) through the interferograms Schlieren recordings must be supplemented.

Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden diese Nachteile ausgeschaltet. By the method and the device according to the invention these disadvantages eliminated.

Es ist nunmehr möglich, in einfacher und wirtschaftlicher Weise optische Weglängendifferenzen, wie sie bei Strömungsvorgängen, bei Vorgängen der Wärme-und Stoffübertragung, in der Mikroskopie, an inhomogenen durchsichtigen und reflektierenden Flächen auftreten, mit einer Genauigkeit zu messen, wie sie bisher nur mit den aufwendigen und schwieriger zu justierenden Mach-Zehnder-Interferometern möglich war.It is now possible to optically in a simple and economical manner Path length differences, as they are with flow processes, with processes of heat and Mass transfer, in microscopy, on inhomogeneous transparent and reflective Surfaces occur to be measured with an accuracy that was previously only possible with the complex and more difficult to adjust Mach-Zehnder interferometers was possible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von optischen Weglängendifferenzen ist ein auf den Toeplerschen Anordnungen beruhendes InteRerometer, das dadurch gekennzeichnet ist, daß anstatt der Schlierenblende mindestens ein Fresnelsches Biprisma und/oder ein Luftkeil in oder in der Nähe der Bildebene der Lichtquelle angeordnet ist. The device according to the invention for measuring optical path length differences is an intererometer based on Toepler's arrangements, which is characterized by is that instead of the Schlieren diaphragm at least one Fresnel biprism and / or an air wedge is arranged in or near the image plane of the light source.

Das Biprisma kann durchsichtig, verspiegelt oder teilverspiegelt sein. Im allgemeinen erfüllt es zwei Funktionen: Das Biprisma dient der unmittelbaren Bestimmung des Brechzahlfeldes und registriert außerdem das Vorzeichen des Brechzahlgradienten, und zwar gibt das durchsichtige Biprisma nur Brechzahlfelder mit positiven, das verspiegelte Biprisma nur solche mit negativen Brechzahlgradienten an. The biprism can be transparent, mirrored or partially mirrored be. In general, it fulfills two functions: The biprism serves the immediate Determination of the refractive index field and registered also the sign of the refractive index gradient, namely the transparent biprism gives only refractive index fields with positive, the mirrored biprism only those with negative refractive index gradients at.

Durch Teilverspiegelung kann das gesamte Feld auf zwei getrennten Bildern mit den entsprechenden Vorzeichen der Gradienten erfaßt werden. Wird das Biprisma etwas außerhalb der Bildebene der Lichtquelle verschoben, und zwar das durchsichtige Biprisma hinter, das verspiegelte Biprisma vor die Bildebene der Lichtquelle, so kann man eine Interferenzstreifenvorgabe erzielen, wobei die Breite des Streifenfeldes vom Keilwinkel des Biprismas abhängt.Due to the partial mirroring, the entire field can be divided into two Images can be captured with the appropriate sign of the gradient. It will Biprism shifted slightly outside the image plane of the light source, namely that transparent biprism behind, the mirrored biprism in front of the image plane of the light source, in this way you can achieve an interference fringe specification, with the width of the fringe field depends on the wedge angle of the biprism.

Der Luftkeil dient im allgemeinen der Bestimmung von Differenzenquotienten der Brechzahl. Er ist in Richtung des einfallenden Lichtes begrenzt durch ein durchsichtiges, teilreflektierendes Material, z. B. eine Glasplatte, in Richtung des austretenden Lichtes durch ein durchsichtiges, teilreflektierendes oder totalreilektierendes Material, je nachdem, ob das Bild des untersuchten Gegenstandes durch Reflexion oder im Durchlicht am Luftkeil entstehen soll. Die Beobachtung im reflektierten Licht ergibt jedoch bessere Kontraste der Interferenzlinien. The air wedge is generally used to determine the difference quotients the refractive index. It is limited in the direction of the incident light by a transparent, partially reflective material, e.g. B. a glass plate, in the direction of the exiting Light through a transparent, partially reflective or totally reflective one Material, depending on whether the image of the examined object by reflection or in transmitted light at the air wedge. The observation in the reflected However, light gives better contrasts for the interference lines.

Dadurch, daß sich die Vorrichtungen gemäß der Erfindung nur in oder in der Nähe der Bildebene der Lichtquelle befinden, ist es möglich, sowohl das Brechzahlfeld, das Vorzeichen des Gradienten, als auch die Differenzenquotienten der Brechzahl gleichzeitig oder in sehr kurzem zeitlichem Abstand zu registrieren. The fact that the devices according to the invention only in or are near the image plane of the light source, it is possible to use both the refractive index field, the sign of the gradient as well as the difference quotient of the refractive index to register at the same time or in a very short time interval.

Der Körper, an dem die zu messenden optischen Weglängendifferenzen auftreten, kann z. B. ein sich bewegendes Projektil sein. Hierbei werden die optischen Weglängendifferenzen durch die in dem dem Körper umgebenden Medium auftretenden Dichteunterschiede hervorgerufen. Es kann aber auch ein ruhender Körper vermessen werden, der eine andere Temperatur als das ihn umgebende Medium hat, wodurch ein Temperatur- bzw. Brechzahlgradient im umgebenden Medium erzeugt wird. The body on which the optical path length differences to be measured occur, z. B. be a moving projectile. Here are the optical Path length differences due to the medium surrounding the body Density differences caused. But it can also measure a resting body which has a different temperature than the medium surrounding it, creating a Temperature or refractive index gradient is generated in the surrounding medium.

Weiterhin kann der Körper auch ein Körper mit inhomogener reflektierender oder teilreflektierender Oberfläche sein, wobei die optischen Weglängendifferenzen nicht durch Brechzahländerungen, sondern durch Weglängendifferenzen an der Oberfläche, welche in der Größenordnung der Lichtwellenlänge liegen müssen, hervorgerufen werden. In diesem Fall läßt sich die Vorrichtung auf die Prüfung der Qualität von Plan- oder Hohlspiegel anwenden. Furthermore, the body can also be a body with inhomogeneous reflective or partially reflective surface, the optical path length differences not through changes in the refractive index, but through path length differences on the surface, which must be in the order of magnitude of the light wavelength. In this case, the device can be used to check the quality of plan or use a concave mirror.

Schließlich kann der Körper auch ein durchsichtiger Körper sein, wobei die optischen Weglängendifferenzen hervorgerufen werden durch Inhomogenitäten in der Dicke des Körpers, als auch durch Brechzahlgradienten erzeugt werden können. Damit eignet sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch zur Untersuchung von Linsen und planparallelen Platten sowie von Inhomogenitäten in Glas. After all, the body can also be a transparent body, whereby the optical path length differences are caused by inhomogeneities in the thickness of the body, as well as by refractive index gradients. The device according to the invention is therefore also suitable for examining Lenses and plane-parallel plates as well as inhomogeneities in glass.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird an Hand der beigefügten Figuren erläutert. Hierbei bedeutet Fig. 1 eine Anordnung mit Paralleistrahlengang, bestehend aus einer kohärenten Lichtquelle 1 (z. B. ein beleuchteter Spalt), welche in der Brennebene eines Hohlspiegels 2 oder einer Linse steht. Im so erhaltenen Paralleflichtbündel befindet sich der zu untersuchende Körper 3, welcher mittels eines zweiten Hohlspiegels 4 oder einer Linse und einem ab- bildenden Objektiv 5 auf der Bildebene 6 des Körper abgebildet wird. In oder in der Nähe der Bildebene der Lichtquelle befindet sich jeweils das Fresnelsch Biprisma und/oder der Luftkeil. The device according to the invention is illustrated with reference to the attached Figures explained. Here, Fig. 1 means an arrangement with a parallel beam path, consisting of a coherent light source 1 (e.g. an illuminated gap), which stands in the focal plane of a concave mirror 2 or a lens. Im so obtained Parallel light bundle is the body to be examined 3, which by means of a second concave mirror 4 or a lens and an ab- forming lens 5 is imaged on the image plane 6 of the body. At or near the image plane the light source is the Fresnelsch biprism and / or the air wedge.

Fig.2 zeigt eine Anordnung mit konvergenten Strahlengang. Der zu untersuchende Körper 3 kant sich im austretenden, im ein- und austretenden (Ko. inzidenzanordnung) oder im eintretenden Strahl be finden, wie es in F i g. 3 gezeigt ist. In dieser Figur ist der Strahlengang in einem Mikroskop dargestellt Die Anordnung gleicht der von Fig.2. Statt dz Hohlspiegels wird ein Objektiv 2 verwendet. Dar Bild 6 des Körpers 3 wird durch ein Okular 8 be trachtet. Bei allen Ausführungsformen kann der n untersuchende Körper auch der Hohlspiegel ode die Linse selbst sein (ähnlich dem Foucaultscher Schneidenverfahren). Durch Knickung der Strablengänge ändert sich nichts an diesen grundsätzlicher Anordnungen, weswegen auch planverspiegelte Ober. flächen untersucht werden können. 2 shows an arrangement with a convergent beam path. The to Examining body 3 edges in the exiting, entering and exiting (Ko. incidence arrangement) or be found in the incoming beam, as shown in FIG. 3 shown is. This figure shows the beam path in a microscope. The arrangement resembles that of Fig. 2. An objective 2 is used instead of the concave mirror. Dar Image 6 of the body 3 is sought through an eyepiece 8 be. In all embodiments the body to be examined can also be the concave mirror or the lens itself (similar to the Foucault cutting method). By kinking the length of the string changes nothing in these basic arrangements, which is why plan-mirrored upper surfaces. areas can be examined.

F i g. 4, 5, 6 und 7 sind Stellungen der durchsichtigen 8- und verspiegelten 9-Biprismen mit und ohne Interferenzstreifenvorgabe in oder in der Nähe de Bildebene 7 der Lichtquelle. F i g. 4, 5, 6 and 7 are positions of the clear 8 and mirrored 9 biprisms with and without interference fringes in or near the image plane 7 of the light source.

Fig. 8 zeigt die Wirkung des Luftkeils 10 im durchfallenden und reflektierenden Strahlengang. Die Stellung des Luftkeils 10 in oder in der Nähe dei Bildebene 7 der Lichtquelle ist ohne großen Eintlue auf das entstehende Interferenzbild. Fig. 8 shows the effect of the air wedge 10 in the transmitted and reflective Beam path. The position of the air wedge 10 in or near the image plane 7 the light source has little influence on the resulting interference pattern.

F i g. 9 und 10 zeigen einige der möglichen Kombinationen zur gleichzeitigen Herstellung von ierferenzbildern mit positiven und negativen Brechzahl. gradienten sowie zur Herstellung von Interferenzbildern zur Bestimmung von Differenzquotienten der Brechzahl. Die Anordnung nach F i g. 9 mit teilreflektierendem Biprisma 11 eignet sich nur zur Herstellung von Interferenzbildern ohne Interferenzstreifenvorgabe. Durch Einbringen eines teililektierenden Spiegels 12 in Fig. 9, etwa nach Art der F i g. 10, und eines Luftkeils 10 läßt sich die Anordnung zur gleichzeitigen Bestimmung von Differenzquotienten der Brechzahl erweitern. Dasselbe läßi sich in F i g. 10 etwa durch Einbringen eines zweiten teilreflektierenden Spiegels oder, unter Verzicht aui eines der beiden Interferenzbilder, durch Ersetzen eines Biprismas 8 oder 9 durch einen Luftkeil erreichen. Die Anordnung nach Fig. 10 eignet sich ferner auch zur Herstellung von Interferenzbildern mit positiven und negativen Brechzahlgradienten bei gleichzeitiger Interferenzstreifenvorgabe. Soll aui die gleichzeitige Wiedergabe der geschilderten Möglichkeiten verzichtet werden, so benötigt man die teilreflektierenden Spiegel nicht. F i g. 9 and 10 show some of the possible combinations for simultaneous Production of ierference images with positive and negative refractive index. gradient as well as for the production of interference images for the determination of difference quotients the refractive index. The arrangement according to FIG. 9 with partially reflective biprism 11 is suitable can only be used to produce interference images without interference fringe specifications. By introducing a partially illuminating mirror 12 in Fig. 9, approximately in the manner of F i g. 10, and an air wedge 10, the arrangement can be used for simultaneous determination of the difference quotient of the refractive index. The same can be seen in FIG. 10 for example, by introducing a second partially reflective mirror or, by waiving it aui one of the two interference patterns, by replacing a biprism 8 or 9 by means of an air wedge. The arrangement according to FIG. 10 is also suitable for producing interference images with positive and negative refractive index gradients with simultaneous interference fringe specification. Should also the simultaneous playback the options described are dispensed with, the partially reflective ones are required Mirror not.

Die Stellungen der Biprismen und des Luftgeils (wie in den F i g. 4 bis 8 gezeigt) in oder in der Nähe der Bildebene der Lichtquelle charakterisieren das neue Interferometer. Die Lage der Bildebene der Lichtquelle geht aus den Fig. 1, 2 und 3 hervor. The positions of the biprisms and the Luftgeils (as shown in Figs. 4 to 8) in or near the image plane of the light source the new interferometer. The position of the image plane of the light source is shown in FIGS. 1, 2 and 3.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich den Eigenheiten der zu untersuchenden Falle afr passen. So wird die Anordnung nach F i g. 1 vorznsweise dann verwendet, wenn die zu untersuchenden Körper eine größere Länge besitzen, welche der Lichtstrahl durchlaufen muß. Die Anordnung nach Fig. 2 wird vorzugsweise zur Untersuchung def Güte von Hohlspiegeln und von Linsen verwendet, wobei das abbildende Objektiv 5 diese Körper 2 abbildet. Zur Untersuchung von Dichtefeldern, wie sie etwa bei sich rasch bewegenden Projektilen auftreten, kann der Lichtstrahl das Modell zweimal lurchlaufen (Koinzidenzanordnung). Durch Knickung des Strahlenganges mittels Planspiegel lassen sich auch plane Oberflächen untersuchen. Die Wirkung des Biprismas und des Luftkeils auf das Interferenzbild besteht in der Verdoppelung dieser Bilder. Dies bedeutet, daß sich einem Bildpunkt zwei Punkte in der Ebene des zu untersuchenden Körpers zuordnen lassen. Im allgemeinen gibt das Interferenzbild die optische Weglängendifferenz dieser beiden Punkte an. The device according to the invention can be the peculiarities of to be investigated trap afr fit. The arrangement according to FIG. 1 provisionally used when the body to be examined has a greater length, which the light beam must pass through. The arrangement of FIG. 2 is preferably used for Investigation of the quality of concave mirrors and of lenses used, the imaging Objective 5 depicts this body 2. To study density fields like them approximately occur with rapidly moving projectiles, the light beam can the model run twice (coincidence arrangement). By bending the beam path by means of Planar mirrors can also be used to examine flat surfaces. The effect of the biprism and the air wedge on the interference image consists in the doubling of these images. This means that a pixel has two points in the plane of the object to be examined Let the body be assigned. In general, the interference pattern gives the optical path length difference of these two points.

Steht jedoch das Biprisma direkt in der Bildebene der Lichtquelle (F i g. 4 und 6), so werden immer die optischen Weglängendifferenzen des optisch inhomogenen Untersuchungsgegenstandes gegen die optisch homogene Umgebung gemessen, sofern nur Licht dieser optisch homogenen Umgebung an der Bildentstehung teilnehmen kann.However, if the biprism is directly in the image plane of the light source (F i g. 4 and 6), the optical path length differences of the optical inhomogeneous object of investigation measured against the optically homogeneous environment, provided that only light from this optically homogeneous environment takes part in the creation of the image can.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist an Hand eines Beispiels beschrieben. Beispielsweise wurden Temperaturfelder mit der Biprisma-Interferenzmethode quantitativ vermessen. Hierbei wurde die Anordnung nach Fig. 1 und ein durchsichtiges Biprisma in der Stellung gemäß F i g. 4 verwendet. In Fig. 11 sind die damit erhaltenen Ergebnisse im Vergleich zur theoretischen Kurve (welche für freie Konvektion an einer senkrechten beheizten Platte in Luft angegeben wird) als ausgezogene Kurve dargestellt. Im Diagramm (Fig. 11) wurde die Temperatur a über dem Wandabstand 52 aufgetragen. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit denen, wie sie mit dem wesentlich aufwendigeren Gerät nach Mach-Zehn d er erhalten werden können. The mode of operation of the device is described using an example. For example, temperature fields were made quantitative using the biprism interference method measured. Here, the arrangement of FIG. 1 and a transparent biprism in the position according to FIG. 4 used. In Fig. 11 are the results thus obtained compared to the theoretical curve (which for free convection on a vertical heated plate in air) is shown as a solid curve. In the diagram (FIG. 11) the temperature a was plotted against the wall distance 52. The results are comparable to those, as they are with the much more complex device after Mach-ten he can be obtained.

Claims

Claims: 1. Device for measuring optical path length differences by means of Toepler's Schlieren arrangement, characterized in that instead of the Schlieren diaphragm in or near the image plane of the light source at least one Fresnel biprism and / or an air wedge is arranged.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the Fresnel Biprism is transparent, mirrored or partially mirrored.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the air wedge in the direction of the incident light through a transparent, partially reflective one Material, in the direction of the exiting light through a transparent, partially reflective or totally reflective material is limited.

4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized in that partially reflective when using several biprisms and / or an air wedge at the same time Mirrors are available as additional picture dividers.

Publications considered: German Patent No. 825 755; Result. exactly. Naturw., 20 (1942), pp. 303/439; Magazine Instr., 53 (1933), Pp. 396 to 403, 424 to 436; J. Opt. Soc. Amer., 40: 480, 481 (1950); Apl. sci. Res., B. 2, pp. 149-198 (1951); Publ. Sci. et. tech. you ministr. del'air, Ur. 338 (1957).