DE1497539A1 - Optisches Interferometer mit einem optischen Element,welches das von einer Quelle herruehrende Strahlungsbuendel in raeumlich getrennte Teilbuendel teilt - Google Patents

Description

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"Optisches Interferometer mit einem optischen Element, welches das von einer quelle herrührende S trah lungs bündel in räumlich getrennte Teilbündel teilt**

Di* Erfindung betrifft ein optisches Interferometer ait einem optischen ülex-int, welches das von einer quelle herrührende Strah«- lün«iSbürde 1 in riuifiiich ■zettennte Teilbündel teilt, wobei wenigötene eines cer Teiltiündel vom ssu prüfenden Gegenstand reflektiert wird

bzw» aurch dieeen hin-iurchgeht_t worauf die Tei!bündel- zum Ιη£*3ϊ»

ferieren gebracht /«erden»

Eines der Interferometer der obenerwähnten Art ist unter dem Namen "Interferometer nach Michelson" bekannt* I;n Interferometer nach Michelson wird daä eine !Fei!bündel nach dea Durchgang durch den hrtl^v.-iurchläasigen Teilspiegel voxi einetr. Verg-Ieichsspiegel und das andere Te ill HiAhI nach erfolgter Zurückwerfun^T am Teilspie^el vom f».ij.j:)»--e -pnstsrA reflektiert. -Beide* reflektierte Teilbündel werden über d«>r. Tei l^pipgel in '»r Bi 1 Jf lä^he-al-.jebi Ld>t«

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BADORIÖINÄI

lit der optische Wegunterschied sswischen den TeilbiindtJft gleich

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Hull oder gleich einer geraden 2ahl halber Wellenlängeη, βά tfitt »in»

Verstärkung der beiden Bündel auf. Ist der Wögunterschied gleich einer ungeraden Zahl halber Wellenlängen, so tritt eine Löschung auf. Wird der Messgegenstand in Sichtung des auftreffenden Bündels verschoben, so lässt sich aus der Zahl der Intensitatsänderunijen in der Bildfläche die Verschiebung bei bekannter Wellenlänge der Strahlung bersehnen. Hat der Iteaagegenstand eine gewisse Tiefe, d.h. fällt die '#·!-

lenfror.t de"3 Teilbündöls nicht mit der reflektierenden Oberfläche des ] Mest: gegenstandes zusammen» so ist iie Strahlungsintensität in der j

Bildfläche nicht konitaftt* Di» von den verschiedenen Teilen d·· Mess« f gegenstandes reflektierten Teilbündel h»fcen nämlich einen .ceger.seiti- f.-*

gen leglängenttnterechiedt Auf diese Weise lässt sich die Tieft de» j Meaagegenstarjdes bestimmen, ' -

In der Fralia trifft da3 betreffend* Teilfeündel nicht »»tikp#cht auf den reflektierenden Itftssgegenstand, sondern die (luer zur fortpflan ·.* zungsrichtung- des Tel !bündelst liegende¹· £bene -feiide-t «inen kltrinen Win- "* kel mit der reflektierenden Gegenstands fliehe. Die« hat z.ur Fo Ige/ dass in der Bildfläche parallele Streifen minimaler bzw. maxiaaler Strahlungsintensität entstehen. Weist der Messgegenstand'eine plötzliche Stärkeänderung auf, ao stellt die Abbildung dieser Aenderung eir.e Bruchlinie i-irj: die Streifen auf einer S^ite dieser Linie aind gegenüber den entsprechenden Streifjen auf der anderen Seite verschoben. Die Gro3se der Verschiebung ist wieder ein Mas^ für die Stärkeänderung.

Sin anderes Interferometer ler obenerwähnten firt, ist ein Interferenzmikroskop, bei dem die beiden interferierenden Teilbüniel senkrecht zueinander polarisiert si'mi_r din dass die Ebene der Schwingunfja-

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richtung eines Strahlentündels senkrecht zu der des anderen Strahlungsbündels steht« ^J

Iin diesem Interferenzmikroskop passiert die von einer Strahlenquelle herrührende Strahlung zunächst einen Polarisator, der dag Bündel in linear polarisiertes Licht umsetzt. Kach Reflexion an einem halbdürchlässigen Teilspiegel, der unter einem Winkel von Ab* getroffen «ird, fällt das linear polarisierte Bündel auf den Gegenstand, der πas Bündel gleichfalls reflektiert« Im Strahiungsweg zwischen dem Gegenstand und dem halfcdurchlässigen Teilspiegel befindet sich ein doppeltbrechendes .Prisma.

Das linear polarisierte Strahlungsbürdel teilt sich im Prisma in zwei Bündel. Die Schwingungsrichtung eines Bündels Steht senkrecht zur Schwingun^srichtung des anderen Bündels. Die beiden linear polariiierten Straftlungsbüncfel, die aus dem Kristall, z.B. einem tfollas-" tc'rr-Prisaa, heraustreten, schliessen miteinander einen kleinen Winkel ein. Im Lichtweg zwischen dem Prisma und der Bildfläche ist ein Analysator angeordnet, der nur die in der Schwingungsrichtung des Analysators schwingenden Bündelkomponenten durehlSsst. ,

Infolge der optischen We*?-iifferenz** zwischen den beiden durch den Analysator hinaurohtret&nden Bündel entstehen in der Bildflache stellen, insbesonder parallele Streifen, maximaler und minimaler Strahlungsintensität.

Die bekannter. Interferometer haben den Nachteil, dass sie für Messungen von aich zeitlich verhältnismässig schnell ändernden Phasen· untferschiedvK nicht geeignet sind. Die Messungen bestehen nämlich aus mehreren Einstellungen, z.B. vor HeI lis-'k? its mustern, die zeitlich n-iihei r.andf-r erfc l/er müssen,

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Die Erfindung bezweckt,, diesen Nachteil ζ« beseitigen und weist

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dazu, da« Kennzeichen auf» dass die T^ilbündelduren polarisations-op« tische Hilfseitfcel in entgegengesetzt kreisförmig polarisierte Bündel umgesetzt «erden, «n& im Weg der wieder zusammengefügten Teilbündel · ein linearer Polarisator, angeordnet ist. * -!.

Die polarisationa--9ptisehen Hilfsmittel in einem optischen Inter ferometer nach der Erfindung» bei dem aie Tel!bündel senkrecht zueinander polarisiert sind» bestehen--vorzugsweise aus einer τ λ-Piaite" (n«ungerade) in der Diagonallage,

Ber Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde _f dass der Phasenun'-terschied der Teilbündel sich durch polarisations-optische Hilfsmittel kontinuierlich ändern lässt, ohße dass sich die geometrische Wegläage der Bündel ändert«·

D^e Erfindung wird an Hand der Zeichnung :beispielswsise näher erläutert. Es zeigen:

Figur -1 eine erste Ausführungsfor.m eines Interferone te rs naeh der Erfindung?

Figuren 2und 3 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des

«s.

Interferometers nach Figur 1»

Figur 4 eine zweite Ausführungsform des Interferoaistera nach der Erfindung, und

Figur 5 ein Diägr&ram zur Erläuterung der Wirkungsweise des Interferometers nach Figur-4.

Im Interferometer nach Fi^ur 1 trifft ein paralleles Lichtbündel das von der ii der Brennfläche der Linse 2 angeordneten Lichtquelle 1 erzeugt wird, unter einem Winkel von 45° auf den halbdurchlässigen Teilspiegel 5,

Einfachheitshalver sind nur die mit a uni b angedeuteten ötrah-

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len des Lichtbundels dargestellt. Der halbdurchlässige Spiegel 5 lässt» abgesehen von den Verlusten·, eine Hälfte des einfallenden Bündels zum Vergleichspiegel 5 durch und reflektiert die andere-Halfte zum Kessgegenstand 4» der z.B. einen Spiegel mit örtlicher Verdickun.^ darstellt.

Bie von den Spiegeln 4 und 5 reflektierten'Bündel werden nach dem Durchgang durch, bzw. nach der Zurückwerfung am halbdurchlässigen Spiegel 3» in der Bildfläche 11 wahrgenommen.

Nach der -Erfindung sind in den Lichtwegen zwischen den Spiegeln

5, 4 bzw. den Spiegeln 3, 5 eine -r A-Blatte-6 und ein linearer PoIa-

risator 8, bzw. ein r· λ-Platte 7 und ein Linearer Polarisator 9angeordnet. ■■'--- *

Dxe aus natürlichem Licht bestehenden Teilbündel'werden in den Polarisatoren 6 bzw, 9 in linear polarisiertes Licht umgesetzt* Nach Reflexion an dem Spiegel 4 bzw. 5 wird das linear polarisierte Licht von der -r-Platte 6 bzw. 7 in kreisförmig polarisiertes Licht umgesetzt. Die Hauptrichtung der 7-Platten s.chlies.st nämlich bei geeigneter Wahl der La*e der Hatten einen Winkel von 45° ^mi"t 'ier Polarisationsrichtur.g der zugeordneten Polarisatoren ein. _f.

Die hichtung der optischen_vAchse der Kristallpiatten 6 und 7 'Aird ausser'ieir. derart gewählt, dass das aus einer Platte austretende Licht rechtadrenend und dar aus der anderen Platte austretende Licht ■ lir.ksdrehend kreisförmig polarisiert ist.

Hnfcpn .jie beiden kreisförmig polariaierten Schwingungen gleiche Antpli tüder», so kombinieren sie sich zu -.ilner linearen Schwingung. Diese lineare Schwinirung trifft auf den Analysator 10. Die Intensität der Komponente ändert si'ch^srnusTörniii^jnit dem Winkel zwi-

ier d.iuj.t rich tür g des A^a IySa tors 1t und 1er Polarisationsrichlinear polarx3iertpn Büniela. Die MOdulatioastiefe der li BAD ORIGINAL

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gelassenen Strahlung beträgt 100$>, denn bei einem Winkel van 90* sehen der Hauptrichtung und der Polarisationsrichtung igt die durch* gelassene Intensität gleich KuIl.

Sind die Amplituden der kreisförmig polarisierten Schwingungen ungleich, so kombinieren sie sich zu einer elliptischen Schwingung«

Die Längsachse der Ellipse hat «lie Richtung der. linearen Schwingung im soeben beschriebenen Falle. Dies bedeutet, dass die Modulations tiefe der vom Analysator 10 durchgelassenen Strahlung sich ändert. Da-

bei bleibt aber der Phasenunterschied zwischen der Schwingung und der Winkellage des Analysators gleich iem im zuerst besprochenen PpIIc.

In Figur 2 ist mit 21 bzw» 22 die Intensität I de3 durchgelaasenen Bündels als Funktion der Winkellage α des Analysators bei gleicher bzw, ungleicher Amplitude der auf dem Analysator auftreffenden kreisförmig polarisierten Schwingungen-bezeichnet.

Das Interferometer ist derart eingestellt, dass in der Bildfläche 11 ein Streifenmuster entsteht. Das Streifenmuster entsteht durch Drehung des Vergleichsspiegels 5 oder des Gegenstandes 4 um einen geringen Winkel. Dae Streifenmuster ist beiderseits der Linie 30 ver-' schoben (Figur 3)· Die Linie 30 wird quer zu dem Streifen eingestellt, z.B. durch Drehung des Gegenstandes 4 um eine zum einfallenden Strahlungsbündel parallele Achse. ·

Das Verscnieben aes Streifenmusters entsteht durch den Höhenunterschied der Schicht auf dem Gegenstand 4 bei 12 (Figur 1).

Dreht sich der Analysator 10 um eine mit dem Einfallsbündel parallel, Achse so vprschfefcei sich die Streifenmuster beiderseits der Grenzlinie JO in einer zur Grenzlinie parallelen Richtung, * -

Hinter dem Analysator *0 ist parallel mit dem Streifenmus^ter Mr Spalt 31 vorgesehen. Jede Gesichtsfeldhälfta wird auf einem getrennter

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phötoelektrisehen Detektor 3.2 bzw.".J-J abgebildet. Kotiert der Analysator 10 gl-eiehförffiig, βο entstehen In den Detektoren 52 und 33 elektrische Signale mit einem Phasentinterschied gleich dem optischen BhaisenunierseMed der Bündel 15 und 16* Siessr 3?hss®nu.ntersohied wird in bekannter Weise elektrisch gemessen» '

Man würde das bleich«· Ergebnis era-islsn«? wenn man nicht den Analysator vsrdreht_e sondern, den Spieg-βΓ 4 oder 5 in Hichtung Sex Bündel bewegt* Letäsres bereitet aber unüberwindliche praktische Söhwierigkeiten»denn es ist nahezu unHiög:li$hiaie Spiegel parallel zn sich selbst .mit- der gewünschten OenÄUiglceit zu fersehieben»

In einem Au sXührungs bei spiel war 1· eins mijnoehroaatische I»iehtquelle» die Licht mit -eine,r Wellenlänge von„ 5460 ""ingstr-om ausstrahltei UMT Analysator 10 wurde mit einer Geschwindigkeii von 15OÖ Hrodrehungen pro Minute rotiert* Ein Phasenünterschied von etwa 4^a zwischen den voft den Setektoreη J2 und 33 erzeugten sinusförmigen Signalen kann noch dötektiert werden« Der diesem Phaeermnterscliied entsprechende Höhenunterschied 12 betrug 0,003 ,um.

Im Interferometer nach Figur A tritt das Meht der Lichtquelle ^, 40 durch ein nicht dargestelltes Linsensystem hindurch, das ein paralleles Bündel auf den Polarisator 41 wirft, der das Bündel in linear polarisiertes Licht umsetzt. Nach erfolgter Reflexion am halb- · durchlässigen Spiegel 42,'der unter einsm Winkel von 45° getroffen' wird, trifft das linear polarisierte Bündel auf den. Gegenstand 45»- der das Bündel wieder zum hslbiurchlässigen opiegel 42 reflektiert« Das Linsenayatem 44 sorrt'dafür, dass der Gegenstand 45 in der Bildebene 47 abi'ebildpt wird. Im dopp^l (,brechenden Prisma 43> das von 00-wohl dem nin^henden al.; %^::ch dem zurückgeworfenen linear polarisierten B'jr.dfil τurchlHilfen wird, teilt .;ich diet-es Bündi?! in zwei räumlich

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getrennte Bündel. Die Schwingungsrichtung eines linear polarisierten Bündels steht senkrecht auf der des anderen linear polarisierten Bündels. Der Winkel ß, den die Bündel nach dem zweiten Durchgang durch das Prisma 4 5 einschliessen, ist von der Grössenordnung von 0,5*»

Diese räumlich getrennten Bündel passieren den halbdurchlääsigen Spiegel 42 und treffen auf dem Analysator 46 auf. Infolge des optischen Wegunterschieds zwischen den beiden Bündeln entstehen in der Bildebene 47 parallele Streifen maximaler und minimaler Strahlungsintensität.

Gesteht der Gegenstand 45 aus zwei reflektierenden Schichten mit einem Höhenunterschied Ah, so dass die Gegenstandsebene in zwei Felder geteilt wird, so wird das Bildfeld vom Kristall 45 in drei Felder 50, 51 j und 52 geteilt (siehe Figur 5)· Die Streifenmuster in den Feldern 50 und 52 έ-ind in Wirklichkeit Teile nur eines Musters. Das Feld 51 hat ein Muster mit glei'cher Periodizität wie die der Felder 50 und Das Muster im Feld 51 ist aber gegenüber dem in den Feldern 5t· und verschoben. Siehe den Artikel in "Revue de Metallurgie", 52, No. 2, 1955» Seiten 121 - 1.34, insbesondere Figuren 1, 2 und 5 mit zugehöriger Beschreibung.

Ba.ch einer Ausführungsart der Erfindung wird zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 42 und dem Analysator 46 eine -r-Platte 48 in der Diagonallage gegenüber den Hauptrichtungen des Prismas 45 angeordnet.

Die beiden linear polarisierten Bündel 35 und 56 werden von der τ~

Platte 48 in zwei kreisförmig polarisierte Bündel mit entgegengesetztem Drehsinn umgesetzt, denn die Schwingungsrichtungen der linearen Bünael stehen senkrecht zueinander.

Wird der Analysator 46 um eine quer zur Hauptrichtung stehende Achse gedreht, so verschiebt sich das Streifenmuster in den Feldern 50,

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51 und 52 auf ähnliche Weise wie beim Interferometer nach Figur 1 in einer Richtung senkrecht zur Streif Einrichtung» In den in der Bildfläche hinter einem Jpait angeordneten Detektoren 60 und 61 werden elek* Jbrieche Signale mit einem Phasenunterachied gleich dem optischen
Phaaer.unterschied der Bündel 55 und 3b erzeugt. Dieser Phasenunterschied wird wieler in bekannter Weise elektrisch gemessen.

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Claims (5)

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1. Optisches Interferometer mit einem optischen Element, welches das von einer Quelle herrührende Strahlungsbündel in räumlich getrennte Teilbündel teilt, wobei wenigstens eines der Teilbundel vom zu .prüfender. Gegenstand reflektiert wird bzw. durch diesen hindurchgeht," worauf die Teilbundel zum Interferierer) gebracht werden, dadurch are kennzeichnet, dass die Teilbündel durch polarisations-optische Hilfsmittel 6» 8} 7t 9 (Figur 1j{ 48 (Figur 4) in entgegengesetzt kreisförmig polarisierte Bündel umgesetzt werden, und im Weg der wider zusammengefügten Teilbundel ein linearer Polarisator, TO (Fi^.ir 1J } 46 (Figur 4) angeordnet ist, .

2. Optiscnes Interferometer nach Anspruch 1, bei dem die Teilbündel senkrecht zueinander polarisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die polärisations-optischen Hilfsmittel aus einer -j λ-Platte {n -ungerade) 46 (Figur 4) in der Diagonallage bestehen.

3. Optisches Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der lineare Polarisator ¹C (Fi ;ur 1)» 46 (Figur 4) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit umläuft und die Phase der sinusförmig in der Zeit veränderlichen Intensität des Interferenzmusters durch photoelektrische Hilfsmittel detektiert wird.

4· Optisches Interferometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet» dass die Phase der Intensität des Interferenzmusters mit der Phase der Drehbewegung des Polarisators 10 (Fi?ur i)f 46 (Figur 4) verglichen wird.· ·

5. Optisches Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasen für zwei Felder des Gegenstandes 12 (Figur 1)| 45 (Figur 4) mittels getrennter Detektoren 52, 55 (Fi.fur 1}$ 60, 61 (Figur 5) miteinander verglichen werden. i>

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