DE2019762B2 - Anordnung zur Erzeugung eines sich aus zwei bezüglich ihres Phasenunterschiedes modulierten Komponenten zusammensetzenden Meßlichtbündels - Google Patents

Description

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ches 2 angegebenen Maßnahme gelöst. gungsrichtungen auf, und ihr Phasenunterschied ist

Es sei erwähnt, daß die Teilung und Wiedervereini- eine lineare Funktion der augenblicklichen Stellung gung von Strahlengängen in Interferometer!) mittels des Beugungsgitters 14 in der tangentialen Richtung. Phasengittern bekannt war (US-PS 3 282148), jedoch Wenn das Gitter gedreht wird, variiert infolgedessen handelt es sich hierbei weder um radial verlaufende 5 der Phasenunterschied zwischen den vereinigten Teil-Beugungsgitter noch solche, die gedreht werden. strahlen zyklisch und linear in Abhängigkeit von der

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand Drehgeschwindigkeit, und gemäß Fig. 1 ist eine Vorder Unteransprüche. richtung 14α vorgesehen, mittels derer das Gitter in

Die durch das Radialgitter gebeugten Strahlen er- der gewünschten Weise gedreht werden kann. Die

leiden infolge der kontinuierlichen Drehung des Gk- io vereinigten Teilstrahlen fallen dann durch eine BiId-

ters eine zyklische und lineare Änderung der Phasen- feldblende 18.

differenz, und diese zyklische Änderung der Phasen- Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist es, wie erwähnt, differenz zwischen den wiedervereinigten Kompo- erforderlich, daß das auf das doppelbrechende Elenenten in dem zusammengesetzten Strahl ermöglicht ment fallende Licht polarisiert ist, doch ist es zu diedie Anwendung eines nach der GB-PS 1096829 be- 15 sem Zweck nicht notwendig, den Polarisator 16 vorkannten bequemen Verfahrens, um diesen Phasenun- zusehen. Vielmehr könnte es sich bei der Lichtquelle terschied zu messen; um eine solche Messung durch- Hohne weiteres um eine Laserlichtquelle handeln, die zuführen,wird die resultierende zyklisch variierende bereits polarisiertes Licht erzeugt. Lichtintensität auf photoelektrischem Wege in eine Es sei bemerkt, daß bei der beschriebenen Vorrichentsprechend zyklisch variierende elektrische Span- 20 tung der Strahlenteiler durch das Gitter bzw. die dopnung umgewandelt, und es wird der Phasenunter- pelbrechende Platte gebildet ist. Der Vorteil der Verschied zwischen dieser Spannung und einer Bezugs- wendung eines Gitters als Strahlenteiler besteht darin, spannung gemessen, wie es in der genannten daß sich die erforderliche zyklische Änderung des op-Patrntanmeldung beschrieben ist; hierbei haben die tischen Phasenunterschiedes auf einfache Weise durch beiden Spannungen die gleiche Frequenz, oder zwi- 25 Drehen des Gitters erzielen läßt. Es macht keinen Unschen den Frequenzen der Spannungen besteht ein terschied, in weicher Reihenfolge das Gitter und die ganzzahliges Verhältnis. Dies ist natürlich bei einem doppelbrechende Platte angeordnet sind. Interferometer erforderlich, bei dem Phasenänderung Die vereinigten Teilstrahlen fallen weiter durch ein gemessen werden soll, die durch eine in dem Weg e:- Mikroskopsystem, das ein Objektiv 22, zwei doppelner der zu vereinigenden Strahlen angeordnete Probe 30 brechende Platten 23 und 25, eine zwischen letzteren verursacht wird. angeordnete Halbwellenplatte 24 und eine Konden-

Wenn gemäß einer der beiden bevorzugten Aus- sorlinse 26 umfaßt. Hinter der Kondensorlinse 26 sind

führungsformen die beiden Teilstrahlen unterschied- ein Analysator 27 und ein Photodetektor 28 angeord-

Iich polarisiert sind, ist es möglich, optische Phasenun- net, der die variierende Lichtintensität, welche von

terschiede zwischen den eben polarisierten Kompo- .15 der zyklisch variierenden Phasenbeziehung zwischen

nenten zu messen, die einer doppelbrechenden Probe den Teilstrahlen herrührt, in eine entsprechend zy-

oder einem zu prüfenden doppelbrechenden interfe- klisch variierende Spannung umwandelt,

rometrischen Instrument zugeordnet sind. Die Strah- Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist in der Praxis

len werden vorzugsweise eben und im rechten Winkel zwischen den beiden Objektiven 19 und 20 eine das

zueinander polarisiert. ·4<ι Licht brechende Abtastvorrichtung angeordnet, so

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati- daß der aus dem Objektiv 19 austretende kollimierte

scher Zeichnungen näher erläutert. Strahl so abgelenkt wird, daß er ein Rastermuster bil-

Fi g. 1 ist eine schematische Darstellung einer er- det, welches durch das Objektiv 22 auf der Probe

sten Ausführungsform; 21 abgebildet wird, so daß eine photoelektrische Inte-

Fig. 2 ähnelt Fig. 1, zeigt jedoch eine zweite Aus- 45 gration örtlicher optischer Dickenunterschiede der

führungsform. Probe 21 möglich ist.

Gemäß Fig. 1 fällt ein repräsentativer Strahl 12 als Die Schwingungsrichtungen der durch die doppel-Beleuchtungslichtstrahl, der durch eine Lichtquelle 11 brechende Platte 17 erzeugten, im rechten Winkel zuerzeugt wird, durch eine Kondensorlinse 13 und ein einander polarisierten Teilstrahlen sollen im wesentli-Radialamplitudcngittcr 14, wo der Strahl so gebeugt so chen rechtwinklig zu den Auslöschungsvorrichtungen wird, daß man einen Satz von divergierenden gebeug- der Platten 23 und 25 verlaufen. Hierdurch wird geten Teilstrahlen erhält. Der Deutlichkeit halber zeigte währleistet, daß relative optische Phasenverschiebun-Fig. 1 nur den Teilstrahl 12a der nullten Ordnung gen, die durch eine durchsichtige Probe im Brenn- und den gebeugten Teilstrahl 12/> der Ordnung + 1. punkt des Objektivs 22 hervorgerufen werden, gleich In der Strahlungsrichtung hinter dem Beugungsgitter 55 große und entsprechende Verschiebungen des sinus-14 ist eine Linse bzw. ein Objektiv 15 angeordnet, förmig modulierten Lichtes bewirken, das zu dem und das Gitter befindet sich in der ersten Brennebene Photodetektor 28 gelangt. Das resultierende phasendes Objektivs. Das Objektiv 15 dient dazu, die beiden verschobene Wechselspannungssignal 29 des Photo-Teilstrahlen parallel zu richten, und die so gerichteten detektors wird dann in ein proportionales Ausgangssi-Strahlen werden dann beide nachdem Passieren eines <><> gnal umgewandelt, das schließlich einer nichtdarge-Polarisators 16 durch ein doppelbrechcndes Element stellten elektronischen Phasenmeßschaltung zuge-17, z. B. eine Savartsche Platte, doppelt gebrochen. führt wird.

Die Doppelbrechkraft der Platte 17 ist so gewählt. Man benötigt eine modulierte ßezugsspannung, mit

daß eine der doppelt gebrochenen Fortsetzungen des der die Phasenlage des Signals 29 elektronisch vergli-

Strahls 12n zur Deckung mit der anderen doppelt ge- <>5 chen werden kann; zu diesem Zweck ist die nachste-

brochenen Fortsetzung des Strahls 12/> gebracht wird. hend beschriebene Anordnung vorgesehen. Das durch

Diese miteinander vereinigten Teilstrahlen weisen im eine Hilfslampe 30 erzeugte Licht beleuchtet einen

rechten Winkel zueinander verlaufende Schwin- das Licht durchlassenden Schlitz 31 und wird durch

einen Hilfsphotodetektor 32 in eine photoelektrische Spannung 33 verwandelt. Der Schlitz 31 erstreckt sich im wesentlichen parallel zu den durchsichtigen Schlitzen des drehbaren Gitters 14, so daß dieses Gitter das von dem Photodetektor 32 empfangene Licht mit dergleichen Frequenz moduliert, mit der das mit Hilfe der beschriebenen Haupteinrichtung erzeugte Licht moduliert wird. Bei dem Signal 33 handelt es sich daher um eine zweite Spannung bzw. die benötigte Bezugsspannung, die ebenfalls einem Teil der elektronischen Phasenmeßschaltung zugeführt wird.

Alternativ kann das Bezugssignal mit Hilfe einer nachstehend anhand von Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung erzeugt werden.

Bezüglich der die Teile 11 bis 18 umfassenden Vorrichtung ist es wichtig zu bemerken, daß die Vorrichtung ebenso gut arbeitet, wenn es sich bei dem Gitter um ein vollständig durchsichtiges Phasengitter handelt. Hierbei ergibt sich der Vorteil einer größeren Lichtdurchlässigkeit; dies gilt insbesondere dann, wenn das Phasengitter ein Halbwellenlängengitter ist, d. h. ein Gitter, bei dem ein Satz von Elementen das Licht im wesentlichen um eine halbe Wellenlänge gegenüber dem Licht verzögert, das durch die zwischen diesen Elementen angeordneten Elemente des anderen Satzes von Elementen fällt. Unter diesen Umständen erzeugt das Gitter praktisch keinen Strahl der nullten Ordnung, vorausgesetzt, daß alle Elemente die gleiche Breite haben. Infolgedessen wird der größte Teil des Lichtes auf die Ordnungen +1 und — 1 konzentriert. Eine Anordnung, bei der ein solches Gitter vorgesehen ist, wird im folgenden anhand von Fig. 2 beschrieben.

In Fig. 2 erkennt man ebenso wie in Fig. 1 einen repräsentativen Lichtstrahl 12, der von einer Lichtquelle 11 ausgeht und durch eine Kondensorlinse 13 fällt, welch letztere die kleine Lichtquelle durch einen Polarisator 34 hindurch auf einem Schlitz 35 abbildet. Ein drehbares Halbwellenlängen-Phasengitter 36 beugt den Strahl 12 so, daß ein Satz von divergierenden gebeugten Strahlen verschiedener Ordnung entsteht, von denen die. Strahlen 12a und 12b dargestellt sind, die der Ordnung +1 bzw. — 1 entsprechen; gemäß Fig. 2 ist eine Vorrichtung 36a zum Drehen des Gitters 36 vorgesehen. Ebenso wie in Fig I werden diese Teilstrahlen durch ein Objektiv 15 parallelgerichtet, und die Strahlen der beiden Ordnungen werden im rechten Winkel zueinander durch zwei seitlich nebeneinander angeordnete, eben polarisierende Platten 37 polarisiert; die Schwingungseinrichtungen der beiden Platten 37 kreuzen sich und verlaufen im wesentlichen diagonal zur Schwingungsrichtung des Polarisators 34. Infolgedessen treten die beiden gebeugten Strahlungen der beiden Ordnungen aus den Polarisierungsplatten 37 so aus, daß ihre Schwingungsrichtungen im rechten Winkel zueinander verlaufen, damit sie danach als die beiden Strahlen der doppelbrechenden Vorrichtung oder als die beiden Teilstrahlen verwendet werden können, die einer ir ihrem Weg angeordneten doppelbrechenden Probt zugeordnet werden» Zwar muß bei der Anordnung nach Fig. 2 das von den Polarisierungsplatten 3' empfangene Licht polarisiert sein, doch ist es nich¹ erforderlich, zu diesem Zweck den Polarisator 34 vorzusehen, sondern man könnte als Lichtquelle 11 ebensogut eine Laserlichtquelle verwenden, die polarisiertes Licht erzeugt.

ίο Ein weiteres Objektiv 38 dient dazu, das sich drehende Phasengitter 36 auf einem ortsfesten Phasengitter 39 abzubilden, wo die Teilstrahlen dadurch miteinander vereinigt werden, daß sie längs siel· deckender Linien auf unterschiedliche Weise gebeugi

is werden, wobei diese Linien den Strahlen der Ordnungen + 1 und —1 entsprechen, die durch das Gittei 39 erzeugt werden. Wenn eine genaue Wiedervereinigung der Teilstrahlen erzielt werden soll, muß das Bile des Gitters 36 bezüglich der Abstände der Gitterelemente die gleiche Teilung und die gleiche Form haber wie das Gitter 39. Es ist bedeutungslos, welches dei beiden Gitter gedreht wird.

Vor den Polarisierungsplatten 37 ist eine Schlitzblende 37a angeordnet, um störende Modulationer auszuschalten, die von gebeugten Strahlen herrühren deren Ordnung höher ist als 1. Zwar ist die Schlitzblende gemäß Fig. 2 unmittelbar vor den Polarisierungsplatten 37 angeordnet, doch könnte sie in dei Praxis an einer beliebigen anderen Stelle angeordnei

so sein, wo die aus dem Gitter 36 austretenden gebeugter Strahlen räumlich voneinander getrennt sind.

Wenn die Vorrichtung in Verbindung mit einen doppelbrechenden Mikroskop benutzt werden soll ordnet man bei der Einrichtung nach Fig. 2 die ir Fig. 1 gezeigten Teile 19 bis 28 hinter der Blende 18 an. Das erwähnte Bezugssignal kann in der anhanc von Fig. 1 beschriebenen Weise erzeugt werden, docr ist es bei der Vorrichtung nach Fig. 2 vorzuziehen dieses Bezugssignal direkt aus den Teilstrahlen mi Hilfe eines Strahlenteilers 40 zu gewinnen, der im Wef der aus dem zweiten Gitter 39 austretenden wiedervereinigten Teilstrahlen angeordnet ist und sie einen Analysator 41 und einem Photodetektor 42 zuführt In diesem Fall kann man jeden der beiden aus den Strahlenteiler 40 austretenden Strahlen als der Hauptkanal verwenden, während der andere Strah als Bezugskanal benutzt wird.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 kann auch mit nicht monochromatischem Licht betrieben werden, wäh

so rend bei der Anordnung nach Fig. 1 die Verschiebunj der Strahlen durch das doppelbrechende Element Γ nur innerhalb eines engen Spektralbereichs der ent sprechenden Verlagerung entsprechen kann, di< durch das umlaufende Beugungsgitter hervorgerufei wird. Bezüglich der Art des zu verwendenden Gitter sei bemerkt, daß man bei beiden beschriebenen An Ordnungen sowohl ein Amplituden- als auch ein Pha sengitter benutzen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

1 2 Patentansprüche: Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. Anspru-

1. Anordnung zur Erzeugung eines sich aus zwei ches 2.

bezüglich ihres Phasenunterschieds modulierten Wenn man die optische Dicke, d. h. die mit dem

Komponenten zusammensetzenden Meßlicht- s Brechungsindex multiplizierte physikalische Dicke,

bündeis aus dem licht einer Lichtquelle mit einer bezüglich ihrer Lichtbrechung heterogenen

a) einem von dem Licht der lichtquelle beauf- Probe über ihre Fläche integral ermitteln will, muß schlagten Strahlenteiler zur Erzeugung man die Probe Punkt für Punkt abtasten und die resulzweier räumlich getrennter phasenkohären- tierende Folge von Meßwerten summieren; diese ter Teilstrahlen, io Meßwerte können auf zweckmäßige Weise mit Hilfe

b) einem Strahlenvereiniger zur Überlagerung eines photoelektrischen Interferometers erhalten der beiden Teilstrahlen, werden. Natürlich ist es erwünscht, diesen Abtastvor-

c) einem rotierenden Radialbeugungsgitter zur gang möglichst schnell durchzuführen; dies gilt insbe-Erzeugung der Modulation des Phasenunter- sondere für Proben, z. B. lebende Zellen, bei denen schiedes der Teilstrahlen, is Veränderungen zu erwarten sind. In der GB-PS

dadurch gekennzeichnet, daß 1096829 ist eine optische Phasenmeßvorrichtung in

d) das rotierende Radialbeugungsgitter (14; 36) Verbindung mit einem Interferometer beschrieben, den Strahlenteiler bildet. und beim Gebrauch dieser Vorrichtung wird für jedes

2.AnordnungzurErzeugungeinessichauszwei der sich wiederholenden Arbeitsspiele eines moto-

bezüglich ihres Phasenunterschiedes modulierten 20 risch angetriebenen doppelbrechenden Kompensators

Komponenten zusammensetzenden Meßlicht- ein Phasenwert erhalten. Hieraus ergibt sich, daß eine

bündeis aus dem Licht einer Lichtquelle mit Erhöhung der Geschwindigkeit, mit der eine Probe

a) einem von dem Licht der Lichtquelle beauf- abgetastet wird, eine entsprechende Erhöhung dieser schlagten Strahlenteiler zur Erzeugung Abtsstfrequenz bedingt, wenn sich das volle seitliche zweier räumlich getrennter phasenkohären- 25 Auflösungsvermögen der Abtasteinrichtung nicht ir ter Teilstrahlen, einem erheblichen Ausmaß verschlechtern soll.

b) einem Strahlenvereiniger zur Überlagerung In der genannten GB-PS 1096 829 ist eine Ausfühder beiden Teilstrahlen, rungsform eines antreibbaren Kompensators be-

c) einem rotierenden Radialbeugungsgitter zur schrieben, bei dem als aktives Element eine umlau-Erzeugungder Modulation des Phasenunter- 30 fende doppelbrechende Halbwellen-Verzögerungsschiedes der Teilstrahlen, platte verwendet wird. Die Zahl der Wiederholungs-

dadurch gekennzeichnet, daß perioden bei jeder einzelnen Umdrehung hängt dann

d) das rotierende Radialbeugungsgitter (14; 36) direkt davon ab, wie oft es möglich ist, den polarisierden Strahlenvereiniger bildet. ten Strahl durch die sich drehende Halbwellenplatte

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 35 zu leiten, wobei sich in jedem Fall vier Perioden ergekennzeichnet, daß der Strahlenvereiniger von ei- ben. In der Praxis ist es schwierig, mehr als zwei solche nem feststehenden Radialbeugungsgitter (39) gc- Übertragungsvorgänge durchzuführen, ohne daß ein bildet ist. zu hoher Lichtverlust eintritt, und dies bedeutet, daß

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- sich für jede Umdrehung nur acht Perioden erzielen kennzeichnet, daß das auf das rotierende Radial- 4» lassen. Außerdem wird die Geschwindigkeit, mit der beugungsgitter (36) fallende Licht polarisiert ist die Halbwellenplatte gedreht werden kann, durch die und daß zwischen den beiden Radialbeugungsgit- Rücksicht auf mechanische Gegebenheiten auf etwa tern (36, 39) im Wege jedes Teilstrahls jeweils 200 Umdrehungen je Sekunde begrenzt, so daß man ein polarisierendes Element (37) derart angeord- 1600 Wiederholungsperioden je Sekunde erhält; net ist, daß die Polarisationsrichtungen der aus den 45 diese Frequenz kann in manchen Fällen, z. B. beim Elementen austretenden Teilstrahlen zueinander Abtasten lebender Proben, zu niedrig sein,
senkrecht sind. Man kann viel höhere Frequenzen erzielen, wenn

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- man als aktives Element ein sich drehendes Gitter kennzeichnet, daß das auf den Strahlenvereiniger verwendet, denn die resultierende Frequenz ist dann fallende Licht polarisiert ist und daß der Strahlen- so das Produkt aus der Drehgeschwindigkeit und der vereiniger von einem doppelbrechenden Element Zahl der Gitterelemente, bzw. bei einem Halbwel-(17) gebildet ist. len-Phasengitter gleich dem doppelten Wert dieses

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Produktes. In der Tat ist in der genannten Patentkennzeichnet, daß der Strahlenteiler von einem schrift eine Einrichtung beschrieben, bei der mit eifeststehenden Radialbcugungsgitter gebildet ist. 55 ncm umlaufenden Gitter gearbeitet wird, doch muß

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gc- bei dieser Einrichtung die Lichtquelle ein kontinuierkennzeichnet, daß das auf das feststehende Ra- iiches Spektrum liefern. Dies ist darauf zurückzufühdialbeugungsgitter fallende Licht polarisiert ist, ren, daß die Wirkungsweise der Einrichtung auf der und daß zwischen den beiden Radialbeugungsgit- Erzeugung von Interferenzstreifen von gleicher chrotern im Wege jedes Teilstrahles jeweils ein polari- mi matischer Ordnung beruht.

sierendes Element derart angeordnet ist, daß die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der

Polarisationsrichtungen der aus den Elementen eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß mit

austretenden Teilstrahlen zueinander senkrecht den hohen Frequenzen gearbeitet werden kann, die

sind. bei sich drehenden Gittersystcmen zur Verfügung stc-

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gc- f>s hen, daß sie jedoch gleichzeitig mit monochromatikenmzeichnet, daß der Strahlenteiler von einem schem Licht betrieben werden kann,
doppelbrechenden Element gebildet ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

Kennzeichen des Anspruches 1 oder des Anspru-