DE1497539B2 - - Google Patents

Description

modulation für die beiden kombinierten Teilbündel statt, die in der ersten Ebene polarisiert sind, und ebenso für die zwei kombinierten Teilbündel, welche in der zweiten Ebene polarisiert sind.

Die bekannten Inferometer haben den Nachteil, daß sie für Messungen von sich zeitlich verhältnismäßig schnell ändernden Phasenunterschieden nicht geeignet sind. Die Messungen bestehen nämlich aus mehreren Einstellungen, z. V. von Helligkeitsmustern, die zeitlich nacheinander enolgen müssen.

Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beseitigen, und weist dazu das Kennzeichen auf, daß hinter den Einrichtungen zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel optische Elemente angeordnet sind, mittels der die beiden Teilstrahlenbündel entgegengesetzt zirkulär polarisierbar sind.

Die optischen Elemente in einem optischen Interferometer nach der Erfindung, bei dem die Teilbündel senkrecht zueinander polarisiert sind, bestehen

vorzugsweise aus einer -τ- Α-Platte (n — ungerade) in

der Diagonallage.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Phasenunterschied der Teilbündel sich durch entgegengesetzte Zirkularpolarisation kontinuierlich ändern läßt, ohne daß sich die geometrische Weglänge der Bündel ändert.

Eine Intensitätsmodulation wird erreicht mittels eines rotierenden, linearen Polarisators.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform eines Interferometers,

F i g. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Interferometers nach Fig. 1,

F i g. 4 eine zweite Ausführungsform des Interferometers und

F i g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Interferometers nach F i g. 4.

Im Interferometer nach F i g. 1 trifft ein paralleles Lichtbündel, das von der in der Brennfläche der Linse 2 angeordneten Lichtquelle 1 erzeugt wird, unter einem Winkel von 45° auf den halbdurchlässigen Teilspiegel 3.

Einfachheitshalber sind nur die mit α und b angedeuteten Strahlen des Lichtbündels dargestellt. Der halbdurchlässige Spiegel 3 läßt abgesehen von den Verlusten, eine Hälfte des einfallenden Bündels zum Vergleichsspiegel 5 durch und reflektiert die andere Hälfte zum Meßgegenstand 4, der z. B. einen Spiegel mit örtlicher Verdickung darstellt.

Die 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.

In den Lichtwegen zwischen den Spiegeln 3, 4 bzw. den Spiegeln 3, 5 sind eine ¹Ai A-Platte 6 und ein linearer Polarisator 8, bzw. ein ¹A A-Platte 7 und ein linearer Polarisator 9 angeordnet.

Die aus natürlichem Licht bestehenden Teilbündel werden in den Polarisatoren 8 bzw. 9 in linear polarisiertes Licht umgesetzt. Nach Reflexion an dem Spiegel 4 bzw. 5 wird das linear polarisierte Licht von

der ^--Platte 6 bzw. 7 in kreisförmig polarisiertes Licht umgesetzt. Die Hauptrichtung der -j-Platten schließt nämlich bei geeigneter Wahl der Lage der Platten einen Winkel von 45° mit der Polarisationsrichtung der zugeordneten Polarisatoren ein. Die Richtung der optischen Achse der Kristallplatten 6 und 7 wird außerdem derart gewählt, daß das aus einer Platte austretende Licht rechtsdrehend und das aus der anderen Platte austretende Licht linksdrehend kreisförmig polarisiert ist.

Haben die beiden kreisförmig polarisierten Schwingungen gleiche Amplituden, so kombinieren sie sich

ίο zu einer linearen Schwingung. Diese lineare Schwingung trifft auf den Analysator 10. Die Intensität der durchgelassenen Komponente ändert sich sinusförmig mit dem Winkel zwischen der Hauptrichtung des Analysators 10 und der Polarisationsrichtung des linear polarisierten Bündels. Die Modulationstiefe der durchgelassenen Strahlung beträgt 100%, denn bei einem Winkel von 90° zwischen der Hauptrichtung und der Polarisationsrichtung ist die durchgelassene Intensität gleich Null.

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

Die Längsachse der Ellipse hat die Richtung der linearen Schwingung im soeben beschriebenen Falle.

Dies bedeutet, daß die Modulationstiefe der vom Analysator 10 durchgelassenen Strahlung sich ändert. Dabei bleibt aber der Phasenunterschied zwischen der Schwingung und der Winkellage des Analysators gleich dem im zuerst besprochenen Falle.

In F i g. 2 ist mit 21 bzw. 22 die Intensität / des durchgelassenen 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. Das Streifenmuster ist beiderseits der Linie 30 verschoben (F i g. 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 Verschieben des Streifenmusters entsteht durch den Höhenunterschied der Schicht auf dem Gegenstand 4 bei 12 (Fig. 1).

Dreht sich der Analysator 10 um eine mit dem Einfallsbündel parallele Achse, so verschieben sich die Streifenmuster beiderseits der Grenzlinie 30 in einer zur Grenzlinie parallelen Richtung.

Hinter dem Analysator 10 ist parallel mit dem Streifenmuster ein Spalt 31 vorgesehen. Jede Gesichtsfeldhälfte wird auf einem getrennten photoelektrischen Detektor 32 bzw. 33 abgebildet. Rotiert der Analysator 10 gleichförmig, so entstehen in den Detektoren 32 und 33 elektrische Signale mit einem Phasenunterschied gleich dem optischen Phasenunterschied der Bündel 15 und 16. Dieser Phasenunterschied wird in bekannter Weise elektrisch gemessen.

Man würde das gleiche Ergebnis erzielen, wenn

man nicht den Analysator verdreht, sondern den Spiegel 4 oder S in Richtung der Bündel bewegt.

Letzteres bereitet aber unüberwindliche praktische Schwierigkeiten, denn es ist nahezu unmöglich, die Spiegel parallel zu sich selbst mit der gewünschten Genauigkeit zu verschieben.

In einem Ausführungsbeispiel war 1 eine mono-

chromatische Lichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge von 5460 Angstrom ausstrahlte; der Analysator 10 wurde mit einer Geschwindigkeit von 1500 Umdrehungen pro Minute rotiert. Ein Phasenunterschied von etwa 4° zwischen den von den Detektoren 32 und 33 erzeugten sinusförmigen Signalen kann noch detektiert werden. Der diesem Phasenunterschied entsprechende Höhenunterschied 12 betrug 0,003 μΐη.

Im Interferometer nach F i g. 4 tritt das Licht 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 halbdurchlässigen Spiegel 42, der unter einem Winkel von 45° getroffen wird, trifft das linear polarisierte Bündel auf den Gegenstand 45, der das Bündel wieder zum halbdurchlässigen Spiegel 42 reflektiert. Das Linsensystem 44 sorgt dafür, daß der Gegenstand 45 in der Bildebene 47 abgebildet wird. Im doppeltbrechenden Prisma 43, das von sowohl dem hingehenden als auch dem zurückgeworfenen linear polarisierten Bündel durchlaufen wird, teilt sich dieses Bündel in zwei räumlich 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 43 einschließen, ist von der Größenordnung von 0,5°.

Diese räumlich getrennten Bündel passieren den halbdurchlässigen 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.

Besteht der Gegenstand 45 aus zwei reflektierenden Schichten mit einem Höhenunterschied Δ h, so daß die Gegenstandsebene in zwei Felder geteilt wird, so wird das Bildfeld vom Kristall 43 in drei Felder 50, 51 und 52 geteilt (s. F i g. 5). Die Streifenmuster in den Feldern 50 und 52 sind in Wirklichkeit Teile nur eines Musters. Das Feld 51 hat ein Muster mit gleicher Periodizität wie die der Felder 50 und 52. Das Muster im Feld 51 ist aber gegenüber dem in den Feldern 50 und 52 verschoben (s. den Artikel in

ίο »Revue de Metallurgie«, 52, Nr. 2, 1955, S. 121 bis 134, insbesondere Fig. 1, 2 und 3 mit zugehöriger Beschreibung).
Zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 42 und

dem Analysator 46 wird eine —Platte 48 in der

Diagonallage gegenüber den Hauptrichtungen des Prisma 43 angeordnet, wodurch diese sich von der Vorrichtung gemäß der GB-PS 6 39 014 unterscheidet. Die beiden linear polarisierten Bündel 35

und 36 werden von der-f-Platte 48 in zwei kreisför-4

mig polarisierte Bündel mit entgegengesetztem Drehsinn umgesetzt, denn die Schwingungen der linearen Bündel stehen senkrecht zueinander.

Wird der Analysator 46 um eine quer zur Hauptrichtung stehende Achse gedreht, so verschiebt sich das Streifenmuster in den Feldern 50, 51 und 52 auf ähnliche Weise wie beim Interferometer nach F i g. 1 in einer Richtung senkrecht zur Streifenrichtung. In den in der Bildfläche hinter einem Spalt angeordneten Detektoren 60 und 61 werden elektrische Signale mit einem Phasenunterschied gleich dem optischen Phasenunterschied der Bündel 35 und 36 erzeugt. Dieser Phasenunterschied wird wieder in bekannter Weise elektrisch gemessen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 Ist der optische Wegunterschied zwischen den Patentansprüche: Teilbündeln gleich Null oder gleich einer geraden Zahl halber Wellenlängen, so tritt eine Verstärkung

1. Optisches Interferometer mit einer Licht- der beiden Bündel auf. Ist der Wegunterschied gleich quelle, mit einer Einrichtung zur Aufspaltung des 5 einer ungeraden Zahl halber Wellenlängen, so tritt von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbün- eine Löschung auf. Wird der Meßgegenstand in dels in zwei räumlich getrennte Teilstrahlenbün- Richtung des auftreffenden Bündels verschoben, so del, mit Einrichtungen zur linearen Polarisation läßt sich aus der Zahl der Intensitätsänderung in der beiden Teilstrahlenbündel, mit Einrichtungen der Bildfläche die Verschiebung bei bekannter WeI-zur Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel io lenlänge der Strahlung berechnen.

nach Durchgang oder Reflexion mindestens eines Hat der Meßgegenstand eine gewisse Tiefe, d. h., der beiden Teilstrahlenbündel durch bzw. an fällt die Wellenfront des Teilbündels nicht mit der einem zu prüfenden Objekt und mit einem reflektierenden Oberfläche des Meßgegenstandes zulinearen Analysator im Wege der beiden über- sammen, so ist die Strahlungsintensität in der Bildlagerten Teilstrahlenbündel, dadurch ge- 15 fläche nicht konstant. Die von den verschiedenen Teikennzeichnet, daß hinter den Einrichtun- len des Meßgegenstandes reflektierten Teilbündel gen (8, 9 bzw. 41, 43) zur linearen Polarisation haben nämlich einen gegenseitigen Weglängenunterder beiden Teilstrahlenbündel optische Elemente schied. Auf diese Weise läßt sich die Tiefe des Meß-(6, 7 bzw. 48) angeordnet sind, mittels der die bei- gegenstandes bestimmen.

den Teilstrahlenbündel entgegengesetzt zirkulär 20 In der Praxis trifft das betreffende Teilbündel nicht

polarisierbar sind. senkrecht auf den reflektierenden Meßgegenstand,

2. Optisches Interferometer nach Anspruch 1, sondern die quer zur Fortpflanzungsrichtung des dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen Teilbündels liegende Ebene bildet einen kleinen (41, 43) zur linearen Polarisation der beiden Teil- Winkel mit der reflektierenden Gegenstandsfläche, strahlenbündel derart ausgebildet sind, daß die 25 Dies hat zur Folge, daß in der Bildfläche parallele beiden Teilstrahlenbündel senkrecht zueinander Streifen minimaler bzw. maximaler Strahlungsintenpolarisiert sind und daß die optischen Elemente sität entstehen. Weist der Meßgegenstand eine plötz-

«,„,., ,.„> , j \ · j li^cne Stärkeänderung auf, so stellt die Abbildung

aus einer _T A-Platte (48) (n = ungerade) in der _{dieser Änderung ei}*_e ßruchlinie dar; die Streifen

Diagonallage bestehen. 30 auf einer Seite dieser Linie sind gegenüber den ent-

3. Optisches Interferometer nach Anspruch 1 sprechenden Streifen auf der anderen Seite verscho- oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den ben. Die Größe der Verschiebung ist wieder ein Maß linearen Analysator (10 bzw. 46) mit konstanter für die Stärkeänderung.

Winkelgeschwindigkeit drehender Antrieb und In dem Interferenzmikroskop nach der GB-PS die Phase der sinusförmig in der Zeit veränder- 35 6 39 014 passiert die von einer Strahlenquelle herlichen Intensität des Interferenzmusters detek- rührende Strahlung zunächst einen Polarisator, der tierende photoelektrische Hilfsmittel (32, 33) das Bündel in linear polarisiertes Licht umsetzt, vorgesehen sind. Nach Reflexion an einem halbdurchlässigen Teilspie-

4. Optisches Interferometer nach Anspruch 3, gel, der unter einem Winkel von 45° getroffen wird, gekennzeichnet durch Mittel, durch welche die 40 fällt das linear polarisierte Bündel auf den Gegen-Phase der Intensität des Interferenzmusters mit stand, der das Bündel gleichfalls reflektiert. Im der Phase der Drehbewegung des Analysators Strahlungsweg zwischen dem Gegenstand und dem (10 bzw. 46) verglichen wird. halbdurchlässigen Teilspiegel befindet sich ein dop-

5. Optisches Interferometer nach Anspruch 3, peltbrechendes Prisma.

dadurch gekennzeichnet, daß die photoelek- 45 Das linear polarisierte Strahlungsbündel teilt sich

trischen Hilfsmittel zwei getrennte Detektoren im Prisma in zwei Bündel. Die Schwingungsrichtung

(32, 33 bzw. 60, 61) zum Vergleich der Phasen eines Bündels steht senkrecht zur Schwingungsrich-

der Interferenzmuster zweier getrennter Felder tung des anderen Bündels. Die beiden linear polari-

des Objektes (4 bzw. 45) umfassen. sierten Strahlungsbündel, die aus dem Kristall, z. B.

50 einem Wollaston-Prisma, 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 Bündelkom-Die Erfindung betrifft ein optisches Interferometer 55 ponenten durchläßt.

mit einer Lichtquelle, mit einer Einrichtung zur Auf- Infolge der optischen Wegdifferenz zwischen den

spaltung des von der Lichtquelle ausgehenden Strah- beiden durch den Analysator hindurchtretenden

lungsbündels in zwei räumlich getrennte Teilstrahlen- Bündeln entstehen in der Bildfläche Stellen, insbe-

bündel, mit Einrichtungen zur linearen Polarisation sondere parallele Streifen, maximaler und minimaler

der beiden Teilstrahlenbündel, mit Einrichtungen zur 60 Strahlungsintensität.

Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel nach Auch aus der DT-AS 10 85 350 ist ein solches

Durchgang oder Reflexion mindestens eines der bei- Interferometer bekannt, bei dem jedoch kein linearer

den Teilstrahlenbündel durch bzw. an einem zu Polarisator im Wege der beiden Teilstrahlenbündel

prüfenden Objekt und mit einem linearen Analysator vorgesehen ist.

im Wege der beiden überlagerten Teilstrahlenbündel. 65 Bei diesem bekannten Interferometer ist das eine

Ein derartiges Interferometer ist bekannt aus der Teilbündel in einer ersten Ebene polarisiert und das

Fig. 4 der GB-PS 6 39 014, und zwar bei einem zweite Teilbündel in einer zur ersten Ebene senk-

Mikroskop. rechten zweiten Ebene. Dabei findet eine Intensitäts-