DE2507183A1 - Zweistrahlinterferometer zur bestimmung von optischen brechzahlen - Google Patents

Description

JENOPT!S< JENA GmbH ^JENA

29. 1. 1975

Zweistrahlinterferometer zur Bestimmung von optischen Brechzahlen

Bekannt sind Zweistrahlinterferometer zur Bestimmung der Brechzahlen von gasförmigen und flüssigen, durchsichtigen Probensubstanzen, die mit hoher Genauigkeit die Brechzahlmessung auf den Vergleich der optischen Wege von zwei gleich langen geometrischen Strecken zurückführen. Die beiden miteinander zu vergleichenden Strecken werden durch zwei voneinander getrennte Kammern verkörpert, von denen sich in der einen Kammer die zu untersuchende Substanz und in der anderen Kammer eine Substanz mit. bekannter Brechzahl befindet. An Stelle der Substanz mit bekannter Brechzahl kann auch ein Vakuum als Bezugsstrecke dienen. Die Bestimmung der unbekannten Brechzahl erfolgt visuell durch Vergleich der relativen Lageänderung zweier übereinander abgebildeter Interferenzstreifensysteme zueinander, von denen eines der beiden Streifensysteme als feststehendes Bezugssystem dient.

Mit einer anderen bekannten Interferometeranordnung lassen sich auch zeitliche Brechzahländerungen durch Messung der Verschiebung der Interferenzstreifen gegenüber einer festen Marke bestimmen. In dieser Anordnung werden die Interferenzstreifen fortlaufend auf fotografischem Papier registriert und aus der Größe der Verschiebung der ^treifenbilder die Brechzahländerungen ermittelt.

Die genannten Verfahren liefern zwar hohe Genauigkeiten bei der Bestimmung von Brechzahlen, aber sie sind bei kontinuierlichen

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Messungen zu umständlich oder zu aufwendig und auch für eine Verwendung bei der Kontrolle von automatisch ablaufenden Proteasen ungeeignet.

Zur Vermeidung dieser !!achteiIe h~t sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Zweistrahlinterferometer zur Bestimmung der Brechzahlen von Probensubstanzen oder deren zeitlichenÄnderung zu schaffen, daß eine vollautomatische kontinuierliche Kessung von zeitlichen Änderungen dv_er Brechzahl eines durchsichtigen Mediums gestattet. Damit soll die Möglichkeit geschaffen werden, Brechzahländerungen in Prozessen in EDV-gerechter Form kontinuierlich und mit hoher Genauigkeit zu erfassen und diese beispielsweise für die Steuerung von'Fertigungsprozessen zu nutzen. Weiterhin hat die Erfindung die Aufgabe, eine objektive Messung der Brechzahl zu ermöglichen, wobei die Meßergebnisse weitestgehend unbeeinflußt von zeitlichen Änderungen in der Interferometeranordnung und außerdem unabhängig von Drifterscheinungen bleiben sollen.

Der Erfindung wird eine an sich bekannte Anordnung eines Zweistrahlinterferometers mit einem die Probensubstanz enthaltenden Teilatrahlengang und einem die Vergleichsubstanz enthaltenden anderen Teilstrahlengang, mit optischen Gliedern zur Abbildung eines Meß- und eines Bezugs-Interferenzstreifensystems in die Ebene eines Austrittsspaltes, mit einem dem Austrittsspalt nachgeordneten Empfänger zur Messung der infolge unterschiedlicher Beeinflussung der beiden Teilstrahlengänge relativen Verschiebung des Meß-Tnterferenzstreifensystems gegenüber dem feststehenden Bezugs-Interferenzstreifensystems und mit einem

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optischen Kompensator zur relativen Verschiebung der Interferenz· Streifensysteme zueinander zugrunde gelegt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im optischen Strahlengang des Zweistrahlinterferometers zwischen dem Austrittsspalt und dem Empfänger ein der Aufspaltung des Lichtes der Maxima nullter Ordnung der Interferenzstreifensysteme in jeweils zwei getrennte Teillichtbündel dienendes, mit seinen Dachflächen dem Austriitsspalt zugewandtes Teilungsprisma angeordnet ist, dessen parallel zur Streifenrichtung der Interferenzstreifensysteme verlaufende Trennkante in der Ebene des Austrittsspaltes liegt, daß sich im optischen Strahlengang, dem Teilungsprisma nachgeordnet, ein Modulator befindet, der abwechselnd ein vom Meß-Interferenzstreifensystem herrührendes und ein ihm diametral gegenüberliegendes, vom Bezugs-lnterferenzstreifensystem herrührendes Teillichtbundel auf den Empfänger gelangen läßt, währenddessen die beiden übrigen Teillichtbündel gesperrt werden und daß an sich bekannte elektrische Verstellmittel vorgesehen sind, die bei ungleicher Signalhöhe der elektrischen Empfängersignale als Folge von Gangunterschieden zwischen den beiden Teilstrahlengängen die ^teilung der optischen Kompensatoren im Strahlengang so verändern, daß der von Proben- und Vergleichssubstanz erzeugte Gangunterschied wieder aufgehohail wird.

Zweckmäßigerweise sind die Dachflächen des Teilungsprismae mit einer lichtundurchlässigen Schicht abgedeckt, die einen die Trennkante einschließenden Spalt freiläßt, dessen Breite annähernd die Größe der halben Breite des Maximums nullter Ordnung der interferenzstreifensysteme hat.

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Außerdem ist es von Vorteil, als Modulator einen um seine Längsachse rotierenden Hohlzylinder zu verwenden, dessen Zylinderwandung mit einer Anzahl von, in zwei parallelen Reihen angeordneten und über den gesamten Zylinderumfang sich erstreckenden, rechteckigen Blendenöffnungen gleicher Größe versehen ist, wobei die Stegbreite zwischen benachbarten Blendenöffnungen überall gleich und außerdem größer als die Breite der Blendenöffnungen ist und wobei die Blendenöffnungen der einen Reihe gegenüber denen der anderen Reihe versetzt sind, so daß jeweils einer Blendenöffnung der einen Reihe ein Blendensteg der anderen Reihe zugeordnet ist.

Schließlich ist es von Vorteil, zur Ansteuerung des optischen !Compensators einen Differenzverstärker zu verwenden, der beim Anliegen von Empfängersignalen mit unterschiedlicher Signalhöhe eine Gleichspannung erzeugt, die über einen Stellmotor den Kompensator steuert, wobei der Verstellweg des !Compensators ein Maß für die Brechzahlunterschiede zwischen Proben- und Verr;leichssubstanz ist.

Die erfiniunssgewäße Anordnung soll im folgenden anhand von beigefügten ."i^uren erläutert werden. Es zeigen:

Jig. 1 die schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer InterferometeranOrdnung (Grundriß),

Pig. 1a den optischen Gtrahlenverlauf zwischen den Interferometerspiegeln (Aufriß),

Pig. 2 die Intensitätsverteilung des Lichtes in der

Ebene des Austrittsspaltes in der Grundeinstellung des Meß- und Vergleichsstreifensystems (Gangunter-

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ciiie schied. Null In der Spaltmitte und gleiche Licht-

Intensitäten der Teilbündel) und Ρίζ, 3 in detaillierter Darstellung eine bevorzugte Anordnung von Teilungsprisma und Modulator im optischen Strahlengang der Interferometeranordnung nach Fig. 1.

Zur Bestimmung von optischen Brechzahlen wird eine Intererometer-Anordnung mit einen Xösters-Doppelprisma verwendet, »ie Anordnung besteht, wie das Labor-Interferometer nach Layleigh-Löwe, aus zv/ei übereinanderliegenden Systemen, einem :eß- und einem Bezugssystem. Tn Fig. 1 beleuchtet eine Licht-[uelle 1 über eine Blende 2 und ein Kollimatorobjektiv 3 sin Kösters-üoppelprisma 4. Fas dort bei E eintretende Licht rird an der halbdurchlässigen Schicht AD in zwei kohärente 'ei!bündel a und b aufgespalten, die wiederum an den Seiten-'lächen AB und AC des Doppelprismas reflektiert und danach jarallel austreten. Das Teilbündel a durchläuft anschließend einen tchromatischen Kompensator 5 und die Luftstrecke L, das !nterferometer-Meßsystem 6 und wird am Gegenspiegel 7 in sich zum KüBters-HoppelpriFina zurückgeworfen. Γ rt interferiert es mit em Ceilfcünciel b, das in -iäaloger i/eise nach lurchlaufen ''es ichromatischen Kompensators 8 und a--r Yekuumstrecke V des Ießsystems 6 ebenfalls vom Gegenspiegel 7 zum Doppelprisma jurückgev/orfen wurde. Die Luft- und Vakuumstrecke des Meßsystems reröen von Glasplatten 9 und 10 begrenzt. Das Interferenz-.icht tritt bei E und 0 aus dem Doppelprisma aus. Es wird iber einen Umlenkspiegel 11 und ein Objektiv 12 in die Ebene

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eines Austrittsspaltes 13 geworfen und erzeugt dort ein Interferenzbild, des im folgenden als Meßinterferenzstreifensystem bezeichnet werd^en soll. Zur Kompensation von Veränderungen im Justierzustand der aus Kö'sters-Doppelprisma 4, Kompensator 5 und 8, Interferometer-Meßsystem 6 und Gegenspiegel 7 bestehenden Anordnung wird in die Ebene des Austrittsgpaltes 13 unterhalb ies Meß-Interferenzstreifensystems ein Bezugs-Interferenzstreif ensystem abgebildet. Das Bezugs-Interferenzstreifensystem entsteht durch. Überlagerung zweier kohärenter Lichtbündel 14» die· an den Kompensatoren 5 und 8 vorbei, Luftstrecken 15 durchlaufen, deren Längen mit denen der Vakuum- bzw. Luftstrecke des Meßsystems β übereinstimmen (Fig. 1a). Da dieaöe Bezugs-Interferenzstreifensystem von der Meßst^-ecke sowie von der Kompensatoreinstellung unbeeinflußt bleibt, behält es stets seine Lage bei und liefert dadurch eine konstante Bezugsmarke. Die Abbildung des Meß- und Bezugsstreifensystems in eine gemeinsame, mit der Ebene des Austrittsspaltes zusammenfallende Bildebene P erfolgt in der Weise, daß nach entsprechender Justie-r rung des Interferometers die Interferenzstreifen beider Systeme parallel zueinander liegen und dergestalt aneinandergrenzen, daß lie Interferenzstreifeo senkrecht zur Trennkante beider Streifensysteme stehen. Außerdem soll die Intensitätskurve des Interferenzstreifens nullter Ordnung des Bezugs-Interferenzstreifensystems symmetrisch zur Spaltmitte des Austrittsspaltes 13 liegen.' Weiterhin wird mittels des achromatischen Kompensators 5 der Interferenzstreifen nullter Ordnung des Meß-Interferenzstreifensystems fluchtend zum Interferenzstreifen nullter Ordnung des

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Be zugs-I nt erf erenzstre if ensy stems eingestellt. Auf diese-'.Ve j sa erhält man in der Kpaltebene zwei Interferenzstreifensysteme mit Intensiiatsverteilungen U und' II, die einander völlig gleichen (Fig· 2), lie einander zugehörigen 'Teilbündel haben bei dieser Lage der interferenzstreiiensysteme in der liitte des Austrittsspaltes den Gangunterschied Hull. Da außerdem beide °treifensysteme durch d_ie gleiche optische Abbildung entstehen, bleiben l^:ui?ere Einwirkungen, wie geringe Änderungen im Justierzustand der Anordnung durch Temperaturänderungen, Stoß usw. weitgehend ohne Einfluß auf die Messung, weil derartige Änderungen gleichartige Verschiebungen des Peß- und des Bezugs-Interferenzstreifensystems sowohl nach Betrag als auch nach Richtung hervorrufen. Im optischen Strahlengang ist hinter dem Austrittsspalt 13 ein Teilungsprisma 16 angeordnet, dessen Trennkante G in der mit der Austrittsspaltebene zusammenfallenden Bildebene F liegt und in ^streifenrichtung der Interferenzstreifensysteme verläuft. Bie Lage des Teilung3prismas ist ferner so gewählt, daß jeweils das Licht des Streifenmaxima nullter Ordnung in zwei getrennte ^eillichtbündel I und II bzw. TTI und IV aufgespalten wird. Ea zur refraktometrischen liessung nur die Interferenzmaxima nullter Ordnung benötigt werden, sind die Dachflächen 17; 13 des Teilungeprismaa 16 mit einer lichtundurchlässigen ."chicht abgedeckt (J?ig. 3). i>ie lichtundurchlässige Schicht läßt beiderseits der Trennkante G des Teilungsprismas einen Bereich frei, der einen Spalt 19 bildet, dessen Breite annähernd die Größe der halben Breite des Maximums nullter Ordnung der

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Interferenzstreifensysteme hat. Die Teillichtbündel I: II; III und IV passieren anschließend einen Modulator 20 mit rechteckigen Blendenöffnungen 21. Der Modulator ist als ein um eine Achse 0-0 rotierender Hohlsylinder ausgebildet, auf dessen Wandung über den gesamten Zylinderumfang die Blendenöffnungen in zwei parallelen Reihen angebracht sind. Die Stegbreite zwischen benachbarten Blendenöffnungen einer Reihe muß dabei größer als die Blendenbreite sein. Außerdem Rind die Blendenöffnungen der einen Reihe gegenüber denen der anderen Reihen in einer Weise versetzt, daß jeweils einer Blendenöffnung der einen Reihe ein Blendensteg der anderen Reihe zugeordnet ist. Durch diese besondere Anordnung dei Blendenöffnungen wird erreicht, daß abwechselnd die Teillichtbündel I und IV bzw, II und III über ein Umlenkprisma 23 und ein Kondensorsystem 24 auf einen Empfänger 25 gelangen. Als Empfänger dient ein Sekundärelektronenvervielfacher (SEV). Am Ausgang des SEV entsteht eine Folge von Impulsen, deren Amplitude ein Maß für die Summe der Intensitäten der Teillichtbündel I und IV bzw, II und III ist. Die Zuordnung der Impulse zu den entsprechenden Teillichtbündeln erfolgt durch Kennimpulse, die unter Verwendung von mit dem Modulator umlaufenden Permanentmagneten 26 erzeugt werden· Die Impulsfolge wird einem Differenzverstärker 27 zugeführt. An dessen Ausgang liegt solange eine vorzeichenbehaftete Spannung an wie die Impulsamplituden und damit die Summen der Intensitäten der Teillichtbündel unterschiedlich groß sind. Mittels der Ausgangsspannung des Differenzverstärkers wird ein Stellmotor 28 zur Verstellung des optischen Kompensators 8 angetrieben,

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K'urch die Verstellung des !Compensators 8 kann die Lageänderung des Meß-Interferenzstreifensystems gegenüber der des festen Bezugs-Interferenzstreifensystems wieder rückgängig gemacht werden. Vor dem Meßvorgang muß aber ein Abgleich der Intensitäten der Teillichtbündel I; II; III und IV vorgenommen werden. Die Verschiebung des optischen !Compensators 8 bildet das Maß für die Größe der Brechzahl bzw. der Brechzahländerung der im Meßsystem 6 befindlichen, zu untersuchenden Substanz (im Ausführungsbeispiel Luft). Wird z. B. mit Hilfe des Stellmotors 28 zusätzlich die Stellung des Abgriffs eines mit konstanter Spannung gespeisten Wendelpotentiometers verändert, so steht am Potentiometer ein Spannungsabfall zur Verfügung, der dem Verschiebeweg und damit auch der Brechzahl direkt proportional ist. Dieses elektrische Signal kann beispielsweise zur Aussteuerung eines Schreibers oder Druckers verwendet werden. Vor der Messung müssen die Teillichtbündel I üis IV auf gleiche Intensitäten abgestimmt werden. Dazu verschiebt man zunächst das Teilungsprisma 16 mit ssinem Spalt 19 in Richtung des Doppelpfeils X solange, bis die Teillichtbündel III und VI am SEV gleiche Teillichtströme hervorrufen. Um gleiche Intensitäten der Teillichtbündel I und II zu bekommen, wird mit Hilfe des optischen !Compensators 8 das Meß-Interf erenzstreifensystem in der Ebene des Austrittsspaltes in Richtung des Doppelpfeils X um einen entsprechenden Betrag verschoben. Weiterhin verschiebt man im folgenden Schritt den Austrittsspalt 13 in Richtung des Doppelpfeils Y, um die Intensitäten der Teilbündel I und III (bzw. II und IV)

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einander anzugleichen. Selbstverständlich müssen jeweils die bei der Abstimmung der -eillichtbündel auf gleiche Intensitäten in den einzelnen Teilschritten nicht interessierenden Teillichtbündel abgeblendet werden.

Mit der er.rindungsgemäßen Zweistrahlinterferometer-Anordnung lassen sich noch Verschiebungen des Meß-Interferenzstreifensystems nachweisen, die Brechzahlunterschieden von

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2 , 10 entsprechen. Sie kann daher mit Vorteil beispielsweise in hochgenauen optischen Komparatoren als Luftrefraktometer Anv/endung finaen.

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Claims (4)

1. - 11 Patentansprüche

   M · ) Zweistrahlinterferometer zur Bestimmung der Brechzahlen von Probensubstanzen oder deren zeitlicher Änderung mit einem die Probensubstanz enthaltenden Teilstrahlengang und einem die Vergleichssubstanz enthaltenden anderen Teilstrahlengang, mit optischen Gliedern zur Abbildung eines" Meß- und eines Bezugs-Interferenzstreifensystems in die Ebene eines Austrittsspaltes, mit einem dem Austrittsspalt nachgeordneten Empfänger zur Messung der infolge unterschiedlicher Beeinflussung der beiden leilstrahlengänge relativen Verschiebung des Meß-Interferenzstreif ensystems gegenüber dein, feststehenden "Bezugs-Tnterferenzstreif ensystems und mit eine ή. optischen !Compensator zur relativen Verschiebung der Interferenzstreifensysteme zueinander, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen dem Austrittsspalt und dem Empfänger ein d,_er Aufspaltung des Lichtes der Maxima nullter Ordnung der Interferenzstreifensysteme in jeweils zwei getrennte Teillichtbündel dienendes, mit seinen Dachflächen dem Austrittsspalt zugewandtes Teilungsprisma angeordnet ist, dessen parallel zur Streifenrichtung der Interferenzstreifensysteme verlaufende Trennkante in der Ebene des Austrittsspaltes liegt, daß sich im optischen Strahlengang, dem Teilungsprisma nachgeord^net, ein Modulator befindet, der abwechselnd ein vom Meß-Interf erenzstreif ensystem herrührendes und ein ihm diametral gegenüberliegendes, vom Bezugs-Interferenzstreifensystem herrührendes Teillichtbündel auf den Empfänger gelangen läßt, währenddessen die beiden übrigen Teillichtbündel gesperrt werden

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   und daß an sich bekannte elektrische Verstellmittel vorgesehen sind, die bei ungleicher Signalhöhe des elektrischen Empfängersignals als Folge von Gangunterschieden zwischen den beiden Teil· Strahlengängen, die Stellung des optischen !Compensators im Strahlengang so verändern, daß der von Proben- und Vergleichssubstanz erzeugte Gangunterschied wieder aufgehoben wird.
2. 2. Zweistrahlinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ^Dachflache des Teilungsprismas mit einer lichtundurchlässigen Schicht abgedeckt sind, die einen die Trennkante einschließenden Spalt frei läßt, dessen Breite annähernd die Größe der halben B_reite des Maximums nullter Ordnung der Interferenzstreifensysteme hat.
3. 3. Zweisitrräfalinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator als ein um seine Längsachse rotierender Hohlzylinder ausgebildet ist, dessen Zylinderwandung mit einer Anzahl von in zwei parallelen Reihen angeordneten und über den gesamten Zylinderumfang sich erstreckenden, rechteckigen Blendenöffnungen gleicher Größe versehen ist, wobei die Stegbreite zwischen benachbarten Blendenöffnungen überall gleich und außerdem größer als die Breite der Blendenöffnung ist und wobei die Blendenöffnungen der einen Reihe gegenüber denen der anderen Reihe versetzt sind, so daß jeweils einer Blendenöffnung der einen Reihe ein Blendensteg der anderen Reihe zugeordnet ist.
4. 4. Zweistrahlinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung des optischen !Compensators ein Differenzverstärker vorgesehen ist, der beim Anliegen von

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   Empfängersignalen mit unterschiedlicher Signalhöhe eine
   Gleichspannung erzeugt, die über einen Stellmotor den
   Kompensator steuert, wobei der Verstellv/eg des Kompensators ein Maß für Brechzahlunterschiede zwischen Proben- und Vergleichssubstanz ist.

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