DE19615616A1

DE19615616A1 - Coherence measuring optics system for interferometry with beam splitter

Info

Publication number: DE19615616A1
Application number: DE1996115616
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Steiner; Hermann Dipl Phys Brunner; Razvan Dipl Phys Lazar; Gerd Dr Haeusler
Original assignee: STIFTUNG fur LASERTECHNOLOGIE
Current assignee: STIFTUNG fur LASERTECHNOLOGIE
Priority date: 1996-04-19
Filing date: 1996-04-19
Publication date: 1997-10-23

Abstract

The system includes a beam splitter (2) which divides the light beam (1) into two equal parts. One of these beam sections is reflected by a mirror (8) through a lens (5) to the line detector (6). The other is transmitted to a reflecting grid (3) set at an angle to the beam, so that the light is bent and the individual beam sections travel through paths of different lengths before falling on the detector. By superimposing the beam sections, interference can be detected which, in its intensity distribution, shows the coherence function of the light. The light thus measures in both duration and pulse modes so that pulse length is irrelevant, even if very short.

Description

Bei der Vorrichtung zur optischen Kohärenzmessung (Abb. 1) handelt es sich um ein Interferometer, das zur Messung der Kohärenzlange (z. B. zeitliche Kohärenz) einer Lichtquelle geeignet ist. Bisher werden Kohärenzlängen mit einem Michelson Interferometeraufbau gemessen. Dieser hat im Vergleich zum Interferometer in Abb. 1 anstelle des Reflexionsgitters einen zweiten Spiegel, der in seinem Abstand zum Strahlteiler zumeist mit einem Linearversteller verschoben werden muß, und anstelle des Zeilendetektors eine Photodiode, deren zeitlicher Signalverlauf die Intensität des Interferenzmusters und damit die Kohärenzfunktion darstellt, moduliert mit dem Zweistrahlinterferenzmuster mit der Periode einer Verschiebung um eine halbe Wellenlange. Diese Methode hat den großen Nachteil, daß sie aufgrund der mechanischen Verschiebung relativ langsam ist. Damit ist es nicht möglich, die Kohärenzlänge kurzer Laserpulse zu bestimmen.The device for optical coherence measurement ( Fig. 1) is an interferometer that is suitable for measuring the coherence length (e.g. temporal coherence) of a light source. So far, coherence lengths have been measured with a Michelson interferometer setup. Compared to the interferometer in Fig. 1, this has a second mirror instead of the reflection grating, which usually has to be moved with a linear adjuster in its distance from the beam splitter, and a photodiode instead of the line detector, whose temporal signal curve represents the intensity of the interference pattern and thus the coherence function , modulated with the two-beam interference pattern with the period of a shift by half a wavelength. This method has the major disadvantage that it is relatively slow due to the mechanical shift. It is therefore not possible to determine the coherence length of short laser pulses.

Bei der Vorrichtung zur optischen Kohärenzmessung wird erfindungsgemäß die mechanische Verschiebung und damit die zeitliche Abfolge des Signals, mit Hilfe des schräg stehenden Gitters, in eine Raumachse projiziert und kann mit einer Belichtung eines Zeilendetektors (z. B. CCD- Zeile) aufgenommen werden.According to the invention, the mechanical Shift and thus the temporal sequence of the signal, with the help of the sloping grid, projected into a spatial axis and can be exposed with an exposure of a line detector (e.g. CCD- Line).

Das einfallende Licht legt in Abhängigkeit von der Auftreffstelle auf dem Gitter eine unterschiedliche Weglänge zurück. Durch die Abbildungslinse wird das Licht vom Gitter in die Detektorebene abgebildet, in der damit das Licht mit linear zu- bzw. abnehmender zurückgelegter Weglänge auf einen Zeilendetektor fällt. Diesem Licht wird der Lichtstrahl vom Spiegel überlagert, der die gleiche Weglänge zurückgelegt hat, wie das Licht, das auf die Mitte des Gitters bzw. des Zeilendetektors fällt. Es entstehen durch die Überlagerung der beiden Lichtstrahlen Interferenzen, deren Signalstärke in der Mitte am größten ist und die nach außen hin entsprechend der Kohärenzinion abnimmt.The incident light sets in depending on the point of impact on the grille different path length back. The light is transferred from the grating to the through the imaging lens Mapped detector level, in which the light with linearly increasing or decreasing covered Path length falls on a line detector. This light becomes the beam of light from the mirror superimposed on the same path length as the light on the center of the grid or the line detector falls. It results from the superposition of the two light beams Interference whose signal strength is greatest in the middle and corresponding to the outside the coherence zone decreases.

Das Reflexionsgitter ist so im Aufbau eingesetzt, daß eine Beugungsordnung (es muß nicht die erste sein) des verwendeten Lichts in sich selbst reflektiert wird. Aufgrund des Fermat′schen Prinzips handelt es sich bei dem gebeugten Licht um eine ebene Welle, die mit der ebenen Welle vom Spiegel überlagert wird. Damit gibt es für beide Wellen entlang dem Zeilendetektor keine Phasenänderung und das Signal ist nicht durch Streifen oder andere Interferenzmuster moduliert. Aus der Halbwertsbreite des Intensitätpeaks der Interferenzen auf dem Zeilendetektor ergibt sich, unter Berücksichtigung des Neigungswinkels des Gitters direkt die Kohärenzfunktion. Die Abbildungslinse ist notwendig, um die Winkeldispersion am Gitter zu kompensieren, so daß das Licht unterschiedlicher Wellenlange aus einem Gitterpunkt, in der Detektorebene wieder auf einen Punkt zusammenfällt.The reflection grating is used in the structure so that a diffraction order (it does not have to be the be first) of the light used is reflected in itself. Because of Fermat's In principle, the diffracted light is a plane wave, the one with the plane wave is overlaid by the mirror. So there are none for both waves along the line detector Phase change and the signal is not modulated by stripes or other interference patterns. From the half-width of the intensity peak of the interference on the line detector, taking into account the angle of inclination of the grating directly the coherence function. The Imaging lens is necessary to compensate for the angular dispersion on the grating, so that Light of different wavelengths from a grid point, in the detector plane again on one Point coincides.

Der Meßbereich des Interferometers ist durch die Tiefe gegeben, die auf dem Gitter ausgeleuchtet wird. Aus dem Neigungswinkel des Gitters ergibt sich der Faktor, um den die Kohärenzlange durch die Projektion von der Tiefenachse in die laterale Richtung verzerrt wird.The measuring range of the interferometer is given by the depth that is illuminated on the grating becomes. The factor by which the coherence length is obtained results from the angle of inclination of the grating is distorted by the projection from the depth axis in the lateral direction.

Eine Möglichkeit, die Detektierbarkeit des Interferenzsignals deutlich zu verbessern besteht darin, die Länge eines Interferometerarms beispielsweise mit einem Piezotranslator um ¼ der Wellenlange zu verändern. Damit verschwindet das Interferenzsignal, da die Lichtstrahlen aus den beiden Interferometerarmen eine Phasenverschiebung um λ/2 zueinander haben und damit die Intensität der koharenten und der inkohärenten Lichtüberlagerung identisch ist. Speichert man eine Messung in dieser Anordnung und zieht sie als Referenzmessung von Messungen bei identischer Interferometerarmlange ab, so erhält man ein deutlich verbessertes Signal. Diese Methode ist vor allen dann anzuwenden, wenn das Strahlprofil der Lichtquelle starke Unregelmäßigkeiten aufweist und damit der Interferenzpeak schlecht zu identifizieren ist. Multiplikative Störungen können besonderes gut eliminiert werden, in dem das Meßsignal durch das Referenzsignal dividiert wird. One way to significantly improve the detectability of the interference signal is to the length of an interferometer arm, for example with a piezotranslator, by ¼ Change wavelength. The interference signal thus disappears because the light beams emanate from the both interferometer arms have a phase shift of λ / 2 to each other and thus the The intensity of the coherent and incoherent light superposition is identical. You save a measurement in this arrangement and uses it as a reference measurement of measurements identical interferometer arm length, so you get a significantly improved signal. This The method is to be used above all if the beam profile of the light source is strong Irregularities and thus the interference peak is difficult to identify. Multiplicative disturbances can be eliminated particularly well by passing the measurement signal through the reference signal is divided.

Mit dieser Vorrichtung lassen sich die Kohärenzlängen von Lichtquellen im sowohl Pulsbetrieb, als auch im Dauerbetrieb vermessen. Im Pulsbetrieb sollte die Pulsfrequenz mit dem Auslesetakt des Zeilendetektors synchronisiert werden. Die Pulslänge ist irrelevant.With this device, the coherence lengths of light sources in both pulse mode, as well as measured in continuous operation. In pulse mode, the pulse frequency should be read out of the line detector are synchronized. The pulse length is irrelevant.

Durch Einführung einer fokussierenden Linse, wie in Abb. 2 gezeigt, läßt sich der Aufbau auch als Punktsensor füsr die Vermessung von Objekten verwenden. Hierbei gibt die Position des Interferenzpeaks die Tiefe des Objektpunktes an. Auch bei dieser Anwendung hat die beschriebene Vorrichtung den Vorteil gegenüber herkömmlichen Interferometern, daß keine Längenveränderung mit der Zeit notwendig ist, sondern die Tiefenposition eines Objektpunktes durch die Lage des Interferenzmaximums auf dem Zeilendetektor mit einer Messung erfaßt werden kann.By introducing a focusing lens, as shown in Fig. 2, the setup can also be used as a point sensor for measuring objects. The position of the interference peak indicates the depth of the object point. In this application, too, the device described has the advantage over conventional interferometers that no change in length with time is necessary, but that the depth position of an object point can be measured by the position of the maximum of interference on the line detector.

Dieser Punktsensor kann zu einem Zeilensensor erweitert werden, indem man das Objekt mit einer Linie beleuchtet und den Zeilendetektor durch einen Matrix-Detektor (CCD-Kamera) ersetzt.This point sensor can be extended to a line sensor by using the object a line is illuminated and the line detector is illuminated by a matrix detector (CCD camera) replaced.

An embodiment of the coherence length measurement is shown in Fig. 1

Das Interferometer wird von einer Lichtquelle mit einem aufgeweiteten Lichtstrahl (1) beleuchtet. Er muß zumindest in der Ebene des Zeilendetektors (6) eine ausreichende Breite haben, um diesen auszuleuchten. Über den Strahlteiler (2), bevorzugt ein Strahlteilerwürfel (Teilungsverhältnis 50 : 50), wird der Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Ein Strahl gelangt erfindungsgemäß auf das Reflexionsgitter (3), das ihn in sich selbst entsprechend der eingestellten Beugungsordnung reflektiert. Durch die Abbildungslinse (5) wird das Gitter auf den Zeilendetektor (6) abgebildet.The interferometer is illuminated by a light source with an expanded light beam ( 1 ). It must have a sufficient width at least in the plane of the line detector ( 6 ) to illuminate it. The light beam is split into two partial beams by means of the beam splitter ( 2 ), preferably a beam splitter cube (split ratio 50:50). According to the invention, a beam reaches the reflection grating ( 3 ), which reflects it in itself in accordance with the diffraction order set. The grating is imaged on the line detector ( 6 ) by the imaging lens ( 5 ).

Der zweite Lichtstrahl wird vom Spiegel (8) reflektiert und leuchtet durch die Abbildungslinse (5) den Zeilendetektor (6) aus. Die Überlagerung der beiden Lichtstrahlen auf dem Zeilendetektor (6) zu einer Interferenz, deren Intensitätsverteilung der Kohärenzfunktion entspricht, die auf einem Osziloskop (7) zur on-line Messung dargestellt, oder über einen AD-Wandler von einem Computer (8) erfaßt und ausgewertet werden kann. Mit Hilfe des Piezotranslators (4, optional) kann durch Aufnahme einer Referenzmessung nach Verschieben des Gitters, z. B. um λ/8 oder λ/4 eine Signalverbesserung durch Subtraktion oder Division mit dem Meßsignal erreicht werden.The second light beam is reflected by the mirror ( 8 ) and illuminates the line detector ( 6 ) through the imaging lens ( 5 ). The superposition of the two light beams on the line detector ( 6 ) to form an interference, the intensity distribution of which corresponds to the coherence function, which is shown on an oscilloscope ( 7 ) for on-line measurement, or is recorded and evaluated by a computer ( 8 ) via an AD converter can be. With the help of the piezotranslator ( 4 , optional), by taking a reference measurement after moving the grid, e.g. B. around λ / 8 or λ / 4 a signal improvement can be achieved by subtraction or division with the measurement signal.

An embodiment of object measurement is shown in Fig. 2

Zusätzlich zu den bereits für Abb. 1 beschriebenen Elementen wird in diesem Aufbau ein Matrix-Detektor (6) und eine fokussierende Linse (10) eingesetzt. Ist der Lichtstrahl (1) kreisförmig oder rechteckig ausgedehnt, (bei Verwendung des Matrix-Detektors (6) ist das notwendig), so muß die Linse (10) eine Zylinderlinse sein, die das Licht in einer Linie senkrecht zur Zeichenebene auf das Objekt (11) fokussiert.In addition to the elements already described for Fig. 1, a matrix detector ( 6 ) and a focusing lens ( 10 ) are used in this construction. If the light beam ( 1 ) is circular or rectangular, (this is necessary when using the matrix detector ( 6 )), the lens ( 10 ) must be a cylindrical lens that directs the light onto the object in a line perpendicular to the plane of the drawing ( 11 ) focused.

Verwendet man einen Matrix-Detektor, so erhält man nach Auswertung mit Hilfe eines Computers (12) in einer Messung direkt das Höhenprofil der auf dem Objekt (11) ausgeleuchteten Linie.If a matrix detector is used, the height profile of the line illuminated on the object ( 11 ) is obtained in one measurement after evaluation with the aid of a computer ( 12 ).

Claims

1. Device for optical coherence measurement, consisting of a beam splitter, which splits the light to be measured into two parts as in a Michelson interferometer, characterized in that a partial beam is reflected by a directional or diffusely reflecting element, but the other by one Reflection grating, which is at an angle to the partial beam in such a way that the light of a diffraction order is reflected to the beam splitter, whereby individual beam components within the beam width have to travel different lengths due to the inclination of the grating before they hit a detector via an imaging optical system an interference is detected from the superposition of the two partial beams, which represents the coherence function of the light in its intensity distribution.

2. Device according to claim 1, characterized in that a signal optimization can be achieved in that both interferometer arms for the Center of the grid are exactly the same length and the grid is designed as a blazed grid.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that the grid can be moved with an adjusting element so that for a Reference measurement a phase difference of the interfering waves is generated and by a computing device the reference measurement is offset against the measurement so that Amplitude disturbances or phase disturbances can be compensated for.

4. Apparatus according to claims 1-3, characterized in that a surface measurement of objects is possible by the reflective element the object is replaced and additionally the light is focused on the object being the location the maximum of the coherent signal to the detector the distance of the illuminated Object point determined.

5. Apparatus according to claim 1-4, characterized in that the object is illuminated linearly by cylinder optics or by scanning and the location of the signal for each object point of the illuminated line on a matrix detector and thereby the shape of the object along a light line with a single measurement is determined.