DE19814068A1

DE19814068A1 - Optischer Weglängenmodulator

Info

Publication number: DE19814068A1
Application number: DE1998114068
Authority: DE
Inventors: Adolf Friedrich Fercher
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-10-07

Abstract

Erfindungsgegenstand ist ein dynamischer optischer Weglängenmodulator für die optische Interferometrie, Holographie und Tomographie. Die optische Weglänge in einem Strahlengang wird dadurch verändert, daß der betreffende Lichtstrahl durch eine Doppelspiegel-Anordnung geführt wird, die aus zwei zueinander parallelen Planspiegeln besteht, die um eine gemeinsame Achse drehbar sind. Durch die Anordnung von Planplatten und Prismen kann eine Weglängen-abhängige Dispersion willkürlicher Größe in den Strahlengang eingeführt werden.

Description

Diese Erfindung betrifft einen optischen Weglängenmodulator zur dynamischen Veränderung der optischen Weglänge eines Lichtstrahls in der optischen Interferometrie, Holographie und Tomographie.

Stand der Technik

In der optischen Interferometrie, Holographie und Tomographie ist es eine immer wiederkehrende Aufgabe, die optische Weglänge in einem Strahlengang dynamisch zu verändern. Das kann entweder im Meßstrahl oder im Referenzstrahl des Interferometers oder der interferometrischen Anordnung in der Holographie und Tomographie erfolgen. Ein einfaches Beispiel für einen solchen Weglängenmodulator ist ein bewegter planer Reflektorspiegel, der einen normal zur Spiegelfläche auftreffenden Lichtstrahl in sich reflektiert. Ein anderes Beispiel eines solchen Weglängenmodulators ist in der internationalen PCT-Anmeldung WO 92/19930 "Method and apparatus for optical imaging and measurement" (Prioritätsdatum: 29. April 1991; Erfinder: Huang, D.; Fujimoto, J. G.; Puliafito, C. A.; Lin, C. P.; Schuman, J. S.) beschrieben. Dort wird ein bewegtes Dachkantprisma als Reflektor benutzt, um die Weglänge des Referenzlichtstrahls in einem optischen Tomographiegerät zu modulieren.

Ein weiteres einfaches Beispiel für einen solchen Weglängenmodulator ist ein rotierender Glaswürfel, der die optische Weglänge eines hindurch gehenden Lichtstrahls in Abhängigkeit von seinem azimutalen Winkel α verändert. Dies ist in der Abb. 1 dargestellt. Dort durchläuft der Lichtstrahl 1 den rotierenden Glaswürfel 2, der um eine normal zur Zeichenebene orientierte Achse 3 drehbar ist oder rotiert. Hiebei wird die optische Weglänge mit zunehmendem Winkel α größer.

Der rotierende Glaswürfel ist zwar eine sehr einfache und praktikable Methode, kann auch mit hoher Geschwindigkeit arbeiten, hat aber den Nachteil, daß der Lichtstrahl durch ein Medium aus Glas oder einem anderen transparenten Werkstoff läuft und damit Wellenlängen-abhängigen Unterschieden im Brechungsindex, also Dispersion ausgesetzt wird. Dispersion hat insbesondere in der optischen Kurzkohärenz-Interferometrie und -Tomographie den gravierenden Nachteil, daß die Kohärenzlänge des Lichtstrahls vergrößert wird und damit die Auflösung dieser Verfahren verschlechtert wird.

Bei den Meßtechniken der optischen Interferometrie, Holographie und Tomographie ist es andererseits aber auch oft erforderlich, eine im Meßstrahl vorliegende Dispersion durch eine gleich große Dispersion im Referenzstrahl zu kompensieren. In diesem Fall muß im Meßstrahl eine durch die optischen Medien des Meßobjekts und die dort vorliegenden Weglängen bestimmte Dispersion gezielt nachgebildet werden. In gewissen Fällen muß darüber hinaus die im Referenzstrahl realisierte Dispersion von der Weglängenänderung abhängig sein; in manchen Fällen muß sie wiederum Null sein. Auch diesen Forderungen kann der rotierende Würfel nicht genügen. Dieses Problem wird auch durch die anderen oben angeführten Weglängen-Modulatoren nicht gelöst.

Es ist daher die technische Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung anzugeben, welche auf einfache Weise eine optische Weglängenänderung für Lichtstrahlen mit hoher Geschwindigkeit ermöglicht und dabei eine beliebige Dispersion, die auch Null gewählt werden kann, in den Lichtstrahlweg einzuführen erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dieser Lichtstrahl durch einen Doppelspiegel-Weglängenmodulator geführt wird, der aus zwei zueinander parallelen Planspiegeln besteht, die um eine gemeinsame Achse drehbar sind oder rotieren und der Lichtstrahl an einem Reflektorspiegel in sich reflektiert wird. Vor diesem Reflektor können dispergierende Planplatten und Prismen beliebiger Form angebracht werden.

Die Erfindung wird anhand der Abb. 1 bis 4 erklärt.

Abb. 1 zeigt eine bekannte Methode der optischen Weglängenmodulation.

Abb. 2 zeigt das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Doppelspiegel-Weglängen modulators.

Abb. 3 erläutert das Grundprinzip und eine erste Ausführungsform des erfindungs gemäßen Doppelspiegel-Weglängenmodulators näher.

Abb. 4 zeigt weitere Ausformungen der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die Ziffern in den Abbildungen bedeuten:

Bezugszeichenliste

1

Lichtstrahl

2

Glaswürfel

3

Drehachse des Glaswürfels

2

4

und

4

' Planspiegel der Doppelspiegelanordnung

5

Träger der Doppelspiegelanordnung

6

Drehachse des Weglängenmodulators

7

Reflektorspiegel

8

Flächennormale des Reflektorspiegels

9

Strahlteiler

10

Planplatte oder Küvette

11

Lichtstrahl

12

Prisma oder Küvette

14

und

14

' Planspiegel der Doppelspiegelanordnung in gegenüber den Positionen

4

und

4

' veränderter azimutaler Orientierung.

Die Abb. 2 erläutert das Grundprinzip der Erfindung und zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Doppelspiegel-Weglängenmodulators. Dort trifft der Lichtstrahl 1 zunächst auf einen Doppelspiegel, bestehend aus den Planspiegeln 4 und 4'. Der Lichtstrahl 1 wird von dem Planspiegel 4 zum Planspiegel 4' reflektiert und von diesem weiter in der ursprünglichen Richtung zu dem Reflektorspiegel 7. Die beiden den Doppelspiegel bildenden Planspiegel 4 und 4' sind zueinander parallel und auf einer rotierenden Scheibe 5 befestigt. Die Scheibe 5 und damit auch die Planspiegel 4 und 4' rotieren um die Drehachse 6. Da die beiden Planspiegel 4 und 4' zueinander parallel sind, verläßt der Strahl 1 diese Anordnung parallel zu seiner ursprünglichen Richtung und trifft auf den Reflektorspiegel 7. Der Spiegel 7 ist mit seiner Flächennormalen 8 parallel zum Lichtstrahl 1 orientiert. Der Lichtstrahl 1 wird daher in sich reflektiert und verläßt die Doppelspiegelanordnung als Lichtstrahl 1' entgegengesetzt zur ursprünglichen Richtung. Der Lichtstrahl 1 hat damit eine vom Drehwinkel α der Doppelspiegelanordnung abhängige optische Wegstrecke durchlaufen. Da der gesamte Weg zwischen den Spiegeln 4, 4' und 7 durch Luft verläuft, ist der Lichtstrahl praktisch keiner Dispersionswirkung ausgesetzt.

In der Abb. 3 ist die erfindungsgemäße Anordnung im Grundriß ausführlicher dargestellt. Dort trifft der Lichtstrahl 1 nach Durchlaufen des Strahlteilers 9 auf den aus Planspiegel 4 und Planspiegel 4' bestehenden rotierenden Doppelspiegel, und wird, wie schon oben beschrieben, von dort weiter parallel zur ursprünglichen Richtung auf den Spiegel 7 gerichtet. Der am Spiegel 7 reflektierte Strahl 1' läuft denselben Weg zurück und wird durch den Strahlteiler 9 schließlich vom eintreffenden Strahl 1 getrennt.

Außerdem sind in der Abb. 3 zwei extreme Positionen des Doppelspiegels angedeutet:
einmal mit durchgehender Linie gezeichnet (Planspiegelpositionen 4 und 4'), mit größerer Weglänge; einmal um den Azimutwinkel α im Uhrzeigersinn weitergedreht, mit gestrichelter Linie gezeichnet (Planspiegelpositionen 14 und 14') und mit kürzerer Weglänge. Die Weglänge der Lichtstrahlen 1 und 1' von dem Strahlteiler 9 über den Doppelspiegel zum Reflektorspiegel 7 und zurück über den Doppelspiegel zum Strahlteiler 9 wird also durch den rotierenden Doppelspiegel in Abhängigkeit vom Azimutwinkel α verändert. Dies ist eine der Aufgaben der erfindungsgemäßen Anordnung.

In vielen Fällen jedoch ist es zusätzlich erforderlich, daß die Wegstrecke, durch die der Lichtstrahl 1 verläuft, einen festen Betrag von Dispersion aufweist. Das kann durch Anordnung eines dispergierenden Mediums wie Glas oder eine Flüssigkeit (in einem Behälter) im Weg des Lichtstrahls erreicht werden. Das ist ebenfalls in der Abb. 3 angedeutet: Dort bedeutet das gestrichelt gezeichnete Rechteck 10 eine Planplatte aus einem transparenten Werkstoff oder eine mit einer transparenten Flüssigkeit gefüllte Küvette.

Wie man ferner aus Abb. 3 erkennt, wird der Lichtstrahl 1 durch die Drehung des Doppelspiegels parallel versetzt. Dies ist in der Abb. 3 durch die zu der Planspiegelposition 14' gehörige, mit gestrichelter Linie gezeichnete Strahlposition 11 dargestellt. Zu jeder azimutalen Orientierung α des Doppelspiegels gehört somit eine andere Position X des Lichtstrahls 1 am Reflektorspiegel 7. Ordnet man vor dem Reflektorspiegel 7 eine Planplatte 10 oder eine flüssigkeitsgefüllte Küvette an, werden diese von den Lichtstrahlen 1 und 1' durchsetzt. So wird ein fixer Betrag von Dispersion in den Lichtweg der Lichtstrahlen 1 und 1' eingeführt. Dies entspricht einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Ersetzt man die Planplatte 10 durch ein Prisma 13 oder eine prismenförmige und flüssigkeitsgefüllte Küvette, kann eine von der Spiegelorientierung α, und damit von der Weglänge in dem Doppelspiegel-Weglängenmodulator abhängige Dispersion eingeführt werden. Dies ist in der Abb. 4 dargestellt. Je nach Orientierung des Prismas 12 kann auch eine mit der Weglänge zunehmende oder abnehmend große Dispersion realisiert werden. Diese zwei Fälle sind in der Abb. 4 durch die gestrichelt eingekreisten Teilstrahlengänge dargestellt. Auch diese Anordnungen entsprechen der Erfindung.

Claims

1. Optischer Weglängenmodulator zur dynamischen Veränderung der optischen Weglänge eines Lichtstrahls in der optischen Interferometrie, Holographie und Tomographie, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Lichtstrahl (1) durch einen Doppelspiegel- Weglängenmodulator geführt wird, der aus zwei zueinander parallelen Planspiegeln (14 und 14') besteht, die um eine gemeinsame Achse (3) drehbar sind oder rotieren und der Lichtstrahl an einem Reflektorspiegel (7) in sich reflektiert wird.

2. Optischer Weglängenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Reflektorspiegel (7) zusätzlich eine Planplatte (10) oder eine flüssigkeitsgefüllte Küvette mit planparallelen Fenstern angeordnet ist.

3. Optischer Weglängenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Reflektorspiegel (7) zusätzlich eine flüssigkeitsgefüllte prismenförmige Küvette oder ein Prisma (12) angeordnet ist.