DE1497539C3

DE1497539C3 -

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Publication number: DE1497539C3
Application number: DE19661497539
Authority: DE
Priority date: 1965-11-24
Filing date: 1966-11-19
Publication date: 1976-02-12

Description

aus einer -j- A-Platte (48) (n — ungerade) in der

Diagonallage bestehen.

3. Optisches Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den linearen Analysator (10 bzw. 46) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehender Antrieb und die Phase der sinusförmig in der Zeit veränderlichen Intensität des Interferenzmusters detektierende photoelektrische Hilfsmittel (32, 33) vorgesehen sind.

4. Optisches Interferometer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel, durch welche die Phase der Intensität des Interferenzmusters mit der Phase der Drehbewegung des Analysators (10 bzw. 46) verglichen wird.

5. Optisches Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Hilfsmittel zwei getrennte Detektoren (32, 33 bzw. 60, 61) zum Vergleich der Phasen der Interferenzmuster zweier getrennter Felder des Objektes (4 bzw. 45) umfassen.

Die Erfindung betrifft ein optisches Interferometer mit einer Lichtquelle, mit einer Einrichtung zur Aufspaltung des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlungsbündels in zwei räumlich getrennte Teilstrahlenbündel, mit Einrichtungen zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel, mit Einrichtungen zur Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel nach Durchgang oder Reflexion mindestens eines der beiden Teilstrahlenbündel durch bzw. an einem zu prüfenden Objekt und mit einem linearen Analysator im Wege der beiden überlagerten Teilstrahlenbündel.

Ein derartiges Interferometer ist bekannt aus der Fig. 4 der GB-PS 6 39 014, und zwar bei einem Mikroskop.

Ist der optische Wegunterschied zwischen den Teilbündeln gleich Null oder gleich einer geraden Zahl halber Wellenlängen, so tritt eine Verstärkung der beiden Bündel auf. Ist der Wegunterschied gleich einer ungeraden Zahl halber Wellenlängen, so tritt eine Löschung auf. Wird der Meßgegenstand in Richtung des auftreffenden Bündels verschoben, so läßt sich aus der Zahl der Intensitätsänderung in der Bildfläche die Verschiebung bei bekannter WeI-lenlänge der Strahlung berechnen.

Hat der Meßgegenstand eine gewisse Tiefe, d. h., fällt die Wellenfront des Teilbündels nicht mit der reflektierenden Oberfläche des Meßgegenstandes zusammen, so ist die Strahlungsintensität in der BiIdfläche nicht konstant. Die von den verschiedenen Teilen des Meßgegenstandes reflektierten Teilbündel haben nämlich einen gegenseitigen Weglängenunterschied. Auf diese Weise läßt sich die Tiefe des Meßgegenstandes bestimmen.

In der Praxis trifft das betreffende Teilbündel nicht senkrecht auf den reflektierenden Meßgegenstand, sondern die quer zur Fortpflanzungsrichtung des Teilbündels liegende Ebene bildet einen kleinen Winkel mit der reflektierenden Gegenstandsfläche.

Dies hat zur Folge, daß in der Bildfläche parallele Streifen minimaler bzw. maximaler Strahlungsintensität entstehen. Weist der Meßgegenstand eine plötzliche Stärkeänderung auf, so stellt die Abbildung dieser Änderung eine Bruchlinie dar; die Streifen auf einer Seite dieser Linie sind gegenüber den entsprechenden Streifen auf der anderen Seite verschoben. Die Größe der Verschiebung ist wieder ein Maß für die Stärkeänderung.

In dem Interferenzmikroskop nach der GB-PS 6 39 014 passiert die von einer Strahlenquelle herrührende Strahlung zunächst einen Polarisator, der das Bündel in linear polarisiertes Licht umsetzt. Nach Reflexion an einem halbdurchlässigen Teilspiegel, der unter einem Winkel von 45° getroffen wird, fällt das linear polarisierte Bündel auf den Gegenstand, der das Bündel gleichfalls reflektiert. Im Strahlungsweg zwischen dem Gegenstand und dem halbdurchlässigen Teilspiegel befindet sich ein doppeltbrechendes Prisma.

Das linear polarisierte Strahlungsbündel teilt sich im Prisma in zwei Bündel. Die Schwingungsrichtung eines Bündels steht senkrecht zur Schwingungsrichtung des anderen Bündels. Die beiden linear polarisierten Strahlungsbündel, die aus dem Kristall, z. B.

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- ponenten durchläßt.

Infolge der optischen Wegdifferenz zwischen den beiden durch den Analysator hindurchtretenden Bündeln entstehen in der Bildfläche Stellen, insbesondere parallele Streifen, maximaler und minimaler Strahlungsintensität.

Auch aus der DT-AS 10 85 350 ist ein solches Interferometer bekannt, bei dem jedoch kein linearer Polarisator im Wege der beiden Teilstrahlenbündel vorgesehen ist.

Bei diesem bekannten Interferometer ist das eine Teilbündel in einer ersten Ebene polarisiert und das zweite Teilbündel in einer zur ersten Ebene senkrechten zweiten Ebene Dabei findet eine Intensitäts-

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 eriolgen 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 — 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 a^s 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 ¹U A-Platte 6 und ein linearer Polarisator 8, bzw. ein ¹Ai 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 -^--Platten schließt nämlich bei eeeianeter Wahl der Laee 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 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 °/o, 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, dalJ 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 Z 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 (Fig. 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 (F i g. 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 5 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 Ausführunsisbeispiel 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 -j-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 ewei 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 Fig. 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

Patentansprüche:

1. Optisches Interferometer mit einer Lichtquelle, mit einer Einrichtung zur Aufspaltung des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels in zwei räumlich getrennte Teilstrahlenbündel, mit Einrichtungen zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel, mit Einrichtung⁰-! zur Überlagerung der beiden Teilstrahlenbüncol nach Durchgang oder Reflexion mindestens eines der beiden Teilstrahlenbündel durch bzw. an einem zu prüfenden Objekt und mit einem linearen Analysator im Wege der beiden überlagerten Teilstrahlenbündel, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den Einrichtungen (8, 9 bzw. 41, 43) zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel optische Elemente (6, 7 bzw. 48) angeordnet sind, mittels der die beiden Teilstrahlenbündel entgegengesetzt zirkulär polarisierbar sind.

2. Optisches Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (41, 43) zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel derart ausgebildet sind, daß die beiden Teilstrahlenbündel senkrecht zueinander polarisiert sind und daß die optischen Elemente