DE2427236C2

DE2427236C2 - Beugung von interferenzfähigem Licht

Info

Publication number: DE2427236C2
Application number: DE19742427236
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. 6331 Nauborn Willhelm
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1974-06-06
Filing date: 1974-06-06
Publication date: 1985-09-05
Also published as: DE2427236A1; NL182985C; NL182985B; NL7505650A; FR2274056A1; JPS5826002B2; JPS517945A; FR2274056B3; CH606988A5; GB1504001A

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Anordnung zur Beugung von interferenzfaehigem Licht, welches im Interferenzstrahlengang veraenderliche Phasen aufweist, mittels optischer, vorzugsweise strukturierter Bauelemente und mit Mitteln zur fotoelektrischen Auswertung der unterschiedlichen Phasenlagen. Es ist bekannt, interferenzfaehiges Licht z. B. durch Gitterstrukturen oder Spiegel zu beugen. Fuer diese bekannten Anordnungen ist es zur Steigerung der Genauigkeit erforderlich, dass nur ganz bestimmte Beugungsordnungen zur Interferenz kommen koennen, damit das modulierte Signal noch interpoliert werden kann. Man hat dazu beispielsweise eine Blende vorgesehen, die die ersten von der nullten Beugungsordnung trennt. Die Anwendung solcher Beugungsordnungsblenden ist problematisch, weil die Blenden nur schwer gefertigt und justiert werden koennen und es oft gar nicht moeglich ist, solche Blenden in einer Apparatur anzubringen, weil kein Platz vorhanden ist. Es ist eine Anordnung angegeben, die sich dadurch auszeichnet, dass zwecks Bevorzugung definierter Beugungsordnungen bzw. Ortsfrequenzen ohne Notwendigkeit der Verwendung von mechanischen Blenden die wirksame Halbwaertsbreite der Wellenlaenge des verwendeten Lichts und/oder die Abstaende und/oder die Strukturen der optischen Bauelemente so gewaehlt sind, dass die optischen Wege von Strahlungsanteilen benachbarter Ordnungen so stark differieren, dass eine die Signalauswertung stoerende Interferenz vermieden ist. ...U.S.W

Description

2. Anordnung jach Anspruch 1, dadurch gekenn- 20 werden können.

zeichnet, daß die Abstimmung der Hslbwertsbreite Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der ein-

und/oder der Abstände und/oder der Strukturen der gangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im

optischen Bauelemente gemäß der Formel kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten

Merkmale gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen erge-

(P 25 ben sich aus den Ansprüchen 2 und 3.

^{e =} ^Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, daß von derselben Lichtquelle herrührende Lichtstrahlen nur dann

vorgenommen ist, wobei e der Abstand der Struktu- miteinander interferieren können, wenn ihr optischer

ren, d die Strukturkonstante, M die wirksame Halb- Gangunterschied kleiner als die Kohärenzlänge ist Die-

wertsbreite der Wellenlänge, K der Überlappungs- 30 se hängt von der Monochromaisie des verwendeten

faktorundaeinStnmetriefaktcrist Lichtes ab und ist bekanntlich durch das Verhältnis

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- /P/2 Δλ bestimmt, wobei λ die Wellenlänge der Lichtzeichnet daß für symmetrische Abfände der Faktor emission und Δλ deren Halbwertsbreite ist Beim An_a _ 2 ist meldungsgegenstand wird im Zusammenwirken mit ei-

35 ner geeigneten Lichtquelle dafür gesorgt daß die durch die lichtbeugenden Bauelemente erzeugten optischen

Wegdifferenzen benachbarter Beugungsordnungen so

groß sind, daß ihre Interferenzen die Signaiauswertung nicht stören.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beugung 40 Dies wird bei der neuen Anordnung beispielsweise von interferenzfähigem Licht, welches im Interferenz- dadurch erreicht, daß die Abstimmung der Halbwertsstrahlengang veränderliche Phasen aufweist, mittels breite und/oder der Abstände und/oder der Strukturen lichtbeugender optischer Bauelemente und mit Mitteln der optischen Bauelemente gemäß der Formel zur fotoelektrischen Auswertung der unterschiedlichen

Phasenlagen. ⁴⁵ e = K ^rf \

Es ist bekannt, interferenzfähiges Licht z.B. durch a ■ Δλ

$ Gitterstrukturen oder Spiegel (Prismen) zu beugen (vgl.

P DE-OS 20 03 492; Applied Optics, Vol.6, Nr. 11 [No- vorgenommen ist, wobei eder Abstand der Strukturen, f\ vember 1967], S. 1861 ff, und Journal of Scientific In- d die Strukturkonstanfe.-, Δλ die wirksame Halbwertsstruments, Vol. 36 [Mai 1959], S. 228). Die Beugung fin- 50 breite der Wellenlänge, K der Überlappungsfaktor und !? det an optischen, vorzugsweise strukturierten (Gitter-)- a ein Symmetriefaktor ist. K ist gleich 1, wenn sich die |· Bauelementen mit relativ zueinander veränderlicher Beugungsordnungen nicht mehr überlappen und für den U Position statt. Bei der in der DE-OS 20 03 492, Fig. 2, Spezialfall symmetrischer Abstände ist a = 2. i,? beschriebenen Anordnung wird z.B. ein von einer Um eine kompakte Bauweise zu erzielen, wird man K ■Ά Lichtquelle erzeugtes Lichtstrahlenbündel durch ein er- 55 und damit auch den Abstand e gerade so groß wählen, $ stes lichibeugendes Gitter in mindestens zwei auseinan- daß die wegen der unerwünschten Interferenz auftreif derlaufende Teilstrahlenbündel zerlegt. Nachfolgende tende störende Doppeiperiode die vorgesehene Interim lichtumlenkende Mittel führen die gebeugten Teilstrah- polation des modulierten Signals noch nicht beeinträchil lenbündel wieder zusammen und mit Hilfe eines zweiten tigt

·' - lichtbeugenden Gitters werden aus unterschiedlichen 60 Die Formel muß in dieser neuen Anordnung lediglich

Beugungsordnungen stammende Teilstrahlenbündel in zwischen zwei der strukturierten Bauelemente einge·

jil dieselbe Richtung gelenkt, so daß sie miteinander inter- halten werden, kann aber auch zwischen mehreren gcl-

{?' ferieren können. ten, wenn sie wirksam werdensoll.

$ Fotoelektrische Systeme werten die unterschiedli- In den Zeichnungen sind schematische Beispiele der

$ chen Phasenlagen der bei einer gegenseitigen Bewe- 65 erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Es zeigt

B gung der Gitter durch die Interferenz modulierten F i g. 1 ein Beispiel mit drei gitterförmig beugenden

vi Strahlenbündel aus. Strukturen; ..,.,.

*5 In bleicher Weise ist z. B. bei Interferenzrefraktome- F i g. 2 ein Beispiel mit zwei gitterförmig beugenden

Strukturen und dazwischengeschalteten Reflexionsflächen.

Das ankommende interferenzfähige Licht / wird an der ersten Sti-uktur 1 in verschiedene Beugungsordnungen /o, /+1, /_i zerlegt Verantwortlich für die Größe der Aufspaltung in Beugungsordnungen, die einen Winkel a einschließen, ist lediglich die Gitterkonstante d der ersten beugenden Struktur 1 sowie die verwendete Wellenlänge A.

Der als Gitter ausgebildeten ersten Struktur 1 ist ein zweites Gitter 2 zur weiteren Beugung nachgeordnet, das die von dem Gitter 1 kommenden verschiedenen Beugungsordnungen nach unterschiedlichen Weglängen erreichen. Diesem Gitter ist ein weiteres Gitter 3 nachgeordnet, an welchem vom Gitter 2 kommende Beugungsordnungen sich vereinigen und interferieren. Bei der neuen Anordnung darf nun der Gangunterschied der Beugungsordnung k zu den Beugungsordnungen /+1 und /_ ι nicht wesentlich kleiner als die Kohärenzlänge l_c sein, damit diese einander benachbarten Beugungscrdnungen nicht miteinander interferieren. Aus der Bedingung für die Kohärenzlänge:

gemäßen Lehre bei allen bekannten Einrichtungen zur Weg- und Geschwindigkeitsmessung möglich, die die Interferenzen nicht unmittelbar benachbarter Beugungsordnungen zur Signalgewinnung ausnutzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

und dem Beugungsgesetz
λ

ergibt sich mit dem Abstand eder beiden Gitter 1 und 2 in linearer Näherung die im Unteranspruch 2 wiedergegebene Bedingung.

Den verschiedenen Richtungen der interferierenden Lichtbündel können an sich bekannte, entsprechend gestaffelte fotoelektrische Empfänger nachgeschaltet werden. Um möglichst hohe Interpolation der durch Interferenz moduiierten Lichtflüsse zuzulassen, wird der Abstand e so gewählt, daß z. B. die 0. Ordnung wegen des zu großen Gangunterschiedes dieser Beugungsordnung nicht mehr mit i'.sr 1. Ordnung interferieren kann.

In Fig.2 ist eine dem in obengenannter Offenlegungsschrift (Fig. 2) Gezeigten ähnliche Anordnung dargestellt, wobei der Abstand der beiden Gitter 13 und 33 gleich 2e ist. Daher kann die Blende 34 (gestrichelt dargestellt) entfallen, denn sie verhindert lediglich einen konstanten Gl-jichlichtanteil in den Meß-ignalen.

Die Figuren veranschaulichen die Zusammenhänge, die den optischen Wegunterschied zwischen benachbarten Beugungsordnungen beeinflussen. Bei Einhaltung der erfindungsgemäßen Bedingungen interferieren in den die Gitter 3 und 33 verlassenden Lichtflüssen nur die mit /₊i um'. /_i bezeichneten Lichtbündel miteinander. Die liiterferenzphase (Aufhellung, Auslöschung) hängt dabei bekanntlich von der relativen Lage der beugenden Strukturen zueinander ab. Bei einer Relativver-Schiebung der beugenden Strukturen in ihrer Ebene senkrecht zur Teilungsrichtung ändert sich die Interferenzphase periodisch. Das von den nicht dargestellten fotoelektrischen Empfängern abgegebene elektrische Signal ist entsprechend dieser Periode moduliert. Durch Abzählen der Signalperioden kann die Verschiebestrekke und durch Zeitmessung auch die Geschwindigkeit des bewegten Gitters gemessen werden. Durch elektronische Unterteilung der Signalperioden kann das Meßsignal auch interpolier', werden. Die Feinheit der Interpolation hängt dabei von der Güte der periodischen Modulation des Meßsignals ?i>.

Selbstverständlich ist die Anwendung der erfindungs-

Claims

1 2

tern eine Brechzahländerung im Lichtweg zwischen den

Patentansprüche: Beugungen dafür verantwortlich, daß die nachgeschal

teten Empfänger ein moduliertes Signal erhalten.

1 Anordnung zur Beugung von interferenzfähi- Für diese bekannten Anordnungen ist es zur Steige-

gem Licht, welches im Interferenzstrahiengang ver- 5 rung der Genauigkeit erforderlich, daß nur ganz beänderliche Phasen aufweist, mittels lichtbeugender stimmte Beugungsordnungen zur Interferenz kommen optischer Bauelemente und mit Mitteln zur fotoelek- können, damit das modulierte Signal noch interpoliert frischen Auswertung der unterschiedlichen Phasen- werden kann. Man hat dazu beispielsweise in der oben lagen, dadurch gekennzeichnet, daß angegebenen deutschen Offenlegungsschnft eine Bhnzwecks Bevorzugung definierter Beugungsordnun- io de vorgesehen (vgL Fig. 2), die die erste von der nullten gen ohne Notwendigkeit der Verwendung von me- Beugungsordnung trennt

chanischen Blenden die wirksame Halbwertsbreite Die Anwendung solcher Beugungsordnungsblenden

der Wellenlänge des verwendeten Lichtes und/oder ist problematisch, weil einmal die Blenden nur schwer die Abstände und/oder die Gitterkonstanten der gefertigt und justiert werden können, zum anderen es lichtbeugenden optischen Bauelemente so gewählt I5 oft g-*r nicht möglich ist, solche Blenden in einer Appasind, daß die Länge der optischen Wege von Strah- ratur anzubringen, weil kein Platz vorhanden ist lungsanteilen benachbarter Ordnungen so stark dif- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Bedingungen da-

ferieren, daß eine die Signalauswertung störende In- für anzugeben, wie ohne zusätzliche Blenden die die terferenz vermieden ist Signalauswertung störenden Interferenzen vermieden