DE2823060C2

DE2823060C2 -

Info

Publication number: DE2823060C2
Application number: DE2823060A
Authority: DE
Inventors: James Jacob Clarksburgh Md. Us Snyder
Original assignee: US Department of Commerce
Current assignee: US Department of Commerce
Priority date: 1977-05-27
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1988-08-11
Also published as: US4173442A; DE2823060A1; GB1603155A; FR2392372B1; FR2392372A1; JPS53148458A; NL7805751A; NL188422B; JPS6021783Y2; NL188422C; JPS59146733U

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Wellenlänge eines monochromatischen Lichtstrahls nach dem Oberbegriff des einzigen Anspruchs.

Aus der US-PS 32 17 591 ist bereits ein Fizeau-Interferometer bekannt, das mit zwei spitzwinklig zueinander verlaufenden Glasplatten versehen ist und das dazu dient, die Wellenlänge eines monochromatischen Lichtstrahls durch Erfassen des Abstandes der auftretenden Interferenzstreifen voneinander unter Verwendung einer optoelektronischen Einrichtung zu erfassen.

Das bekannte Verfahren ist jedoch nicht ausreichend genau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorbekannte Verfahren derart weiterzubilden, daß eine höhere Genauigkeit erreichbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des einzigen Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Fizeau-Interferometers aus der Sicht der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Sicht eines Teils des Wellenlängenmessers aus der Sicht der Linie III-III der Fig. 1; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm der gesamten, in der Recheneinrichtung verwendeten Programmfolge.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm der Wellenlängenmeßvorrichtung. Die Vorrichtung wird zum Bestimmen der Wellenlänge einer monochromatischen Quelle, wie beispielsweise einer Laserquelle, verwendet. Der Laser kann entweder gepulst sein, d. h. also pulsierend sein, oder aber eine kontinuierliche Wellenaussendung aufweisen. Weiterhin kann der Laser abstimmbar sein. Die Wellenlängenmeßvorrichtung wird verwendet, um in Echtzeit die Wellenlänge des vom Laser 2 ausgesandten Licht zu bestimmen. Folglich kann die Vorrichtung als Prüfvorrichtung bei gleichzeitiger Verwendung eines Lasers für andere Zwecke verwendet werden. Entsprechend ist ein teilweise reflektierender Spiegel 4 vorgesehen, um einen Teil 6 eines Lichtstrahls 5 durch einen variablen Abschwächer 7 in die Wellenlängenmeßvorrichtung zu lenken. Die Wellenlängenmeßvorrichtung ist in einem Gehäuse 8 enthalten, das zur Aufnahme verschiedener optischer Elemente der Vorrichtung dient und die Interferometer- und photoelektrische Detektoranordnung gegen äußere Lichtquellen abschirmt. Der Teil 6 des Lichtstrahls 5, der in das Gehäuse 8 der Vorrichtung geführt wird, wird über einen Spiegel 10 zu einer Objektivlinse 12 gerichtet, die ein einfaches Mikroskopobjektiv sein kann und die den Lichtstrahl 5 in einer mit einer schmalen Apertur versehenen Platte 12′, die als räumliches Filter dient, fokussiert. Die Apertur liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 10 µm. Eine achromatische Sammellinse 14 ist eine Brennweite von der Platte 12′ entfernt angeordnet und erzeugt einen kollimierten oder parallelen Strahl, der auf das Fizeau-Interferometer 16 gerichtet ist. Das Fizeau- Interferometer 16 weist zwei optisch ebene Platten 18 und 20 auf, die mit Abstand voneinander mittels einer Mehrzahl von Abstandhaltern 22, 24, 26 angeordnet sind.

Die Abstandhalter 22, 24, 26 gewährleisten einen spitzen Winkel und einen Zwischenraum zwischen den Platten 18 und 20. Der spitze Winkel wird mit α bezeichnet und liegt typischerweise in der Größenordnung von 20 Bogensekunden. Die Nominaldicke des Zwischenraums ist 1 mm. In Fig. 1 ist der spitze Winkel zum Zwecke der Erläuterung weit vergrößert dargestellt. Die Platten 18 und 20 können scheibenförmig ausgebildet sein, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Sie sind aus Glas hergestellt. Die Abstandhalter 22, 24, 26 können aus glaskeramischem Material mit geringer Ausdehnung bestehen, wie beispielsweise Cer-Vit-Scheiben der Größenordnung von 1 mm Dicke und 6 mm Durchmesser. Der Zwischenraum zwischen den Platten 18 und 20 kann einfach ein Luftzwischenraum sein; alternativ hierzu kann das Interferometer 16 oder das gesamte Gehäuse 8 evakuiert sein. Zusätzlich kann eine Heizeinrichtung in der Nähe des Interferometers 16 vorgesehen sein, um Temperaturveränderungen und daraus resultierende Abmessungsänderungen zu reduzieren.

Die Herstellung des Fizeau-Interferometers 16 kann in herkömmlicher Weise durchgeführt werden. Eine Antireflexionsbeschichtung ist auf den Flächen vorgesehen, die nicht den Zwischenraum bilden. Die Plattenflächen, die den Zwischenraum definieren, sind unbeschichtet, um optische Phasenstreuungen auszuschalten. Die Abstandhalter 22, 24, 26 sind mit einer der den Zwischenraum bildenden Plattenflächen glasverschmolzen. Die Einheit ist geschliffen, um den gewünschten spitzen Winkel zu erhalten. Der Winkel kann mittels eines üblichen Autokollimators geprüft werden. Die Abstandhalter 22, 24, 26 werden sodann poliert, um eine optisch ebene Fläche zu erhalten.

Das Fizeau-Interferometer 16 erzeugt ein Streifenmuster 27, wie ist in Fig. 2 gezeigt ist, wo zu sehen ist, daß das Streifenmuster 27 eine parallele Anordnung von hellen Streifen 28 (Maxima) und dunklen Streifen 30 (Minima) aufweist. Das Streifenmuster 27 wird durch Reflexionen von einer Rückfläche 32 der Platte 18 und einer Vorderfläche 34 der Platte 20 erzeugt. Das von diesen beiden Flächen 32 und 34 reflektierte Licht erzeugt des Streifenmuster 27, das daraufhin vom Fizeau-Interferometer 16 über eine Spiegelfläche 42 auf eine photoelektrische Detektoranordnung 40 reflektiert wird. Die Spiegelfläche 32 ist unterhalb des Laserstrahls angeordnet, der in das Fizeau-Interferometer 16 einläuft, wie am besten in Fig. 3 dargestellt. Das Fizeau-Interferometer 16 ist geneigt, so daß das Streifenmuster 27 auf die Spiegelfläche 42 und anschließend zur photoelektrischen Detektoranordnung 40 gelenkt wird. Die photoelektrische Detektoranordnung 40 dient zum Erzeugen elektrischer Signale, die der Intensität des Lichts an verschiedenen Punkten entlang des Streifenmusters 27 entsprechen. Diese Signale werden dazu verwendet, die Periode zwischen den Streifen und dem Ort der Streifen (Phase) relativ zu einem Ursprungs- oder Referenzpunkt mittels einer elektronischen Einrichtung zu berechnen, die typischerweise außerhalb des Gehäuses 8 untergebracht ist. Die elektronische Einrichtung weist einen Signalverarbeitungskreis 44, einen Analog-Digital-Umwandler 46 und eine Recheneinheit 48 auf. Der Ausgang der Recheneinheit 48 wird zu einer Anzeige 50 zum Auslesen der berechneten Wellenlänge geführt. Die Recheneinheit 48 kann auch Wellenlängensignale als Steuersignale zu einem Vergleicherkreis 60 führen, der außerdem ein Referenz- oder gewünschtes Wellenlängensignal erhält. Der Ausgang des Vergleicherkreises 60 wird zu einer Abstimmeinheit 64 zum Steuern der Laserfrequenz geführt, so daß eine wirksame Feedback- Abstimmfähigkeit gegeben ist. Der Vergleicherkreis 60 kann alternativ durch die Recheneinheit 48 ergänzt werden, in der die Referenzwellenlänge ein einstellbarer Eingangsparameter ist. Die Abstimmeinheit 64 weist eine Digital-Analog-Umwandlungseinrichtung zum Schaffen eines analogen Ausgangssignals zum Abstimmen des Lasers auf.

Die Diodenanordnung ist im wesentlichen eine monolithische, selbstlesende, lineare Photodiodenanordnung, die 1024 einzelne Elemente aufweist, deren jedes eine Breite von 25,4 µm aufweist und die mit ihren Zentren 25,4 µm voneinander entfernt angeordnet sind. Die Anordnungselemente können eine Aperturlänge von 0,43 mm aufweisen, obwohl andere Aperturgrößen ebenfalls verwendbar sind. Jedes Element oder jede Zelle besteht aus einem Photosensor, der parallel mit einem Speicherkondensator angeordnet ist und über einen Feldeffekttransistorschalter mit einer gemeinsamen Videoausgangslinie verbunden ist. Die Vielzahl der Photosensorzellen wird mittels durch Zwei-Phasen-Taktgeber betriebener Schieberegister abgetastet.

Der Signalverarbeitungskreis 44 führt Zwei-Phasen- Taktsignale der Diodenanordnung 40 zu und empfängt das gemeinsame Videoausgangssignal, das unter Verwendung eines als Stromverstärker geschalteten Operationsverstärkers verstärkt wird. Das Videoausgangssignal vom Signalverarbeitungskreis 44 wird einem Analog-Digital- Umwandler zugeführt. Ein digitales Ausgangssignal mit acht Bit wird dem Analog-Digital-Umwandler als Eingang für die Recheneinheit 48 zugeführt. Ein Leersignal, das das Ende einer Photodiodenausleseabtastung markiert, wird ebenso vom Signalverarbeitungskreis 44 der Recheneinheit 48 zugeführt. Das Streifenmuster 27 wird typischerweise alle 20 Millisekunden aufgesammelt und digital umgewandelt. Die Recheneinheit 48 speichert das Streifenmuster, um es in Übereinstimmung mit dem in Fig. 4 dargestellten Algorithmus-Satz zu verarbeiten. Beliebige üblicherweise verfügbare Minicomputer oder Mikrocomputer oder -rechner können als Recheneinheit 48 verwendet werden.

Die Interferenzstreifen werden unter Verwendung der photoelektrischen Detektoranordnung 40 gemessen, wobei beispielsweise die Kante des ersten Elements als Ursprungs- oder Referenzpunkt verwendet wird. Es ist jedoch auch möglich, eine Referenz oder einen Ursprung zu berechnen, wobei beispielsweise der Mittelpunkt zwischen den zwei Markierungen 70 und 72 auf der Interferometerplatte 18 verwendet wird. Die Markierungen 70 und 72 können schmale Reflexionsstreifen sein, die auf der äußeren Fläche der Platte 18 angeordnet sind. Die Berechnung des Ursprungs in dieser Weise hat den Vorteil eines automatischen Selbstkalibrierens der Vorrichtung für den Fall, daß äußere mechanische Vibrationen oder Schwankungen des Interferometers 16 auftreten.

Es ist offensichtlich, daß die Linse 14 durch einen Spiegel und eine außerhalb der Achse befindliche optische Anordnung ersetzt werden kann, um chromatische Aberrationen auszuschalten. Zusätzlich kann der Spiegel 42 einfach ein Strahlspalter sein. Andere äquivalente optische Ablenk- und Kollimier- oder Sammelausführungen sind für den Fachmann naheliegend.

Das Vorgehen wird anhand des in Fig. 4 dargestellten Flußdiagramms erläutert. Der Schritt 1 im Flußdiagramm der Fig. 4 ist der Eingangsschritt, der zum Zurücksetzen und Lesen verschiedener Computer- oder Rechnerparameter dient und die Startadresse zum Datenlesen (Adresse SELCH) in ein Allzweckregister (R3) einbringt. Die Daten oder Angaben werden in den Computer oder Rechner nach dem Auftreten eines Leersignals eingegeben (Schritt 2), das durch den Signalverarbeitungkreis 44 am Ende jedes Abtastens der Photodiodenanordnung erzeugt wird. Die Daten werden zuerst auf Sättigung überprüft (Schritt 3), die beispielsweise auftritt, wenn äußeres Licht in das Gehäuse 8 eintritt. Die Sättigungsprüfung wird durchgeführt, indem jeweils fünf aufeinanderfolgende Datenpunkte geprüft werden, um zu bestimmen, ob sie alle auf ihrem maximalen Zählwert stehen, was 255 für das Eingangsdatenwort mit acht Bit ist. Wenn Sättigung auftritt, wird eine Anzeige FFFF durch die Recheneinheit 48 auf der Anzeigetafel 50 erzeugt und das Programm zur Wiederbeginnadresse RSTR des Schrittes 1 zurückgestellt.

Wenn die Eingangsdaten nicht gesättigt sind, geht der Computer zum Schritt 4 über, um die erhaltenen Daten auszuglätten oder zu differenzieren. Die Ausglätt- und Differenzschleife ist einfach eine Faltung der Rohdaten mit einer Einzelperiode einer symmetrischen Quadratwellenfunktion mit Einheitsamplitude. Die Nulldurchgänge der Faltung entsprechen den Maxima und den Minima des Streifenmusters 27. Um den Nulldurchgang, der mit u₁′ bezeichnet ist, zu finden, interpoliert das Rechnerprogramm die gefalteten Daten oder Angaben nahezu bis auf ¹/₆₄ eines Fotodiodenelementabstandes (Schritt 5). Es wird daran erinnert, daß die Fotodiodenanordnung 1024 getrennte Elemente aufweist. Daher sind die Nulldurchgangspunkte u₁′ einfach Zahlen zwischen 1 und 65 536 (1024 × 64), die die Orte der Streifen Minima und Maxima an verschiedenen Punkten i entlang der Fotodiodenanordnung darstellen, wobei diese in Einheiten von ¹/₆₄ eines Elementabstands (Zellenabstands) gemessen werden (25,4 µm) vom Zentrum und 25,4 µm Zellenbreite). Nominal sind diese Nulldurchgänge in gleichem Abstand. Eine Aufzeichnung von u₁′ als Funktion von i sollte linear sein. Tatsächlich sind die Platten 18 und 20 niemals optisch vollständig eben und haben eine Biegung oder Wellung, die durch eine Polynomfunktion darstellbar ist. Schritt 6 des Programms stellt die Nulldurchgänge u₁′ ein, um die Plattenbiegung oder -unebenheiten zu korrigieren, indem eine während der ursprünglichen Kalibrierung experimentell bestimmte Polynomfunktion verwendet wird. Die sich ergebenden, korrigierten Nulldurchgänge, die mit u₁′ bezeichnet sind, werden dann der wahrscheinlichsten geraden Linie mittels des Verfahrens der kleinsten Quadrate angepaßt, wie in Schritt 7 angezeigt ist. Die Anpassungslinie ist durch u _i = (LAMDA/2)+LL₀ gegeben. Die Steigung der angepaßten geraden Linie ist die Hälfte des Streifenabstandes und gegeben durch

LAMBDA = (2(mΣiu _i-ΣiΣu₁)/(m(Σi ²)-(Σi)²) (1)

wobei

m = die Gesamtzahl der Nulldurchgänge u₁′, i = 1, 2, . . . m und LAMBDA = Streifenabstand

ist. Der Wert von LL₀ ist der wahrscheinlichste Ort des berechneten Nulldurchgangs für i = 0, und dieser Wert ist gegeben durch:

LL₀ = (2ΣU _I-LAMBDAΣi)/(2m) (2)

Für Streifenminimum am berechneten i = 0-Durchgang ist die optische Interferenz-Wegdifferenz L gegeben durch:

L = L₀+LL₀, (3)

wobei L₀ die optische Wegdifferenz am Ursprung ist, von dem aus u₁ gemessen ist. L₀ ist eine Kalibrierungs- oder Eichkonstante des Instruments oder der Vorrichtung, die vorher mittels eines Lasers mit einer exakt bekannten Wellenlänge bestimmt wurde. LL₀ ist dann in geeigneter Skalierung einfach der Wechsel in der optischen Wegdifferenz zwischen der am Ursprung und der am berechneten Nulldurchgang für i = 0 befindlichen. Wenn jedoch ein Streifenmaximum am berechneten Nulldurchgang für i = 0 gegeben ist, dann muß der Streifen am berechneten Nulldurchgang für i = 1 ein Minimum sein. In diesem Fall ist die optische Wegdifferenz gegeben durch:

L = L₀+LL₀+LAMBDA/2 (4)

LAMBDA ist ein Maß der räumlichen Periode des Streifenmusters, das der Wellenlänge des Lichtstrahls proportional ist, welcher das Streifenmuster erzeugt. Wenn LAMBDA korrekt normiert ist, ist LAMBDA daher eine erste Näherung für die Wellenlänge des zu messenden Lichtstrahls. Der wahre Wert der Wellenlänge λ ist am ersten (oder einem beliebigen) Streifenminimum exakt durch die folgende Formel gegeben:

L = n λ, (5)

wobei L die optische Interferenz-Wegdifferenz beim Streifenminimum und n = eine ganze Zahl (die Interferenzordnungszahl) ist. Der Algorithmus zum Berechnen von λ besteht einfach darin, LAMBDA aus Gleichung (1) und L aus Gleichung (2) und entweder der Gleichung (3) oder der Gleichung (4) zu berechnen. Das Verhältnis L/LAMBDA ist etwa gleich der Ordnungszahl n, wie es der Gleichung (5) entspricht. Tatsächlich bleibt jedoch Rest nach dem Dividieren von L durch LAMBDA, und der Rest kann benutzt werden, um die erste Näherung der Wellenlänge λ zu korrigieren, wie unten beschrieben ist.

Die Schritte 8 bis 14 des Flußdiagramms der Fig. 4 illustrieren den oben beschriebenen Algorithmus. Um Rundungsfehler zu vermeiden, sind die im Programm zur Rechnung von LAMBDA und LL₀ verwendeten Formeln gegenüber den Gleichungen (1) und (2) leicht verändert worden. Als Ergebnis sind die Einheiten der LAMBDA und LL₀ ein ¹/₁₂₈ des Abstands der Fotodiodenelemente. Der berechnete Wert von LAMBDA wird geprüft, um festzustellen, ob er innerhalb gewisser Grenzen, nämlich 66 bis 195 Diodenelementen, liegt, um sicherzustellen, daß vorhergehende Rechenschritte einen annehmbar richtigen Wert für LAMBDA ergeben haben. Wenn LAMBDA innerhalb akzeptabler Grenzen richtig ist, wandelt der Schritt 9 des Programms LAMBDA LL₀ in geeignete Einheiten unter Benutzung des Kalibrierungs- oder Eichfaktors SCALE um. Der Faktor SCALE ist dem Interferometerkeilwinkel α proportional und wird experimentell unter Verwendung eines Lasers bekannter Wellenlänge während der ursprünglichen Instrumentenkalibrierung oder -eichung bestimmt. Schritt 10 des Programms bestimmt, ob der berechnete Nulldurchgang i = 0 einen minimalen oder maximalen Lichtintensitätswert entspricht. Dies wird durchgeführt, indem einfach die Steigung des Nulldurchgangs betrachtet wird, d. h. positive Steigung entspricht einem Maximumwert und negative Steigung einem Minimumwert. Schritt 11 des Programms berechnet L unter Verwendung der Gleichung (3) oder der Gleichung (4) in Kombination mit Gleichung (2). Der Wert von L wird sodann durch LAMBDA im Schritt 12 dividiert. Der Quotient L₀ ist gleich der Interferometerordnungszahl. Der Rest wird mit n₁ bezeichnet, und der relative Rest, der als n₁/n₀ definiert, ist der Korrekturfaktor δ LAMBDA, der der ersten Näherung LAMBDA zuaddiert wird, um die Wellenlänge λ zu erhalten. Der Schritt 13 des Programms berechnet δ LAMBDA = n₁/n₀, und der Schritt 14 berechnet den Endwert von λ = LAMBDA+δ LAMBDA. Die resultierende Ausgabewellenlänge wird nach Umwandlung von der Binär- in die Dezimalform (Binär-Dezimal-Unterprogramm) auf der Anzeigeeinrichtung angezeigt, wie im Schritt 15 angedeutet ist.

Im Betrieb wird der angezeigte Wert von λ 10 bis 20 mal in der Sekunde erneuert. Das Instrument oder die Vorrichtung hat einen Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis 1,1 µm mit einer möglichen Auflösung und Genauigkeit von etwa 10⁸. Die Auflösung und die Genauigkeit der Vorrichtung werden durch die Phasenmessungen bestimmt, etwa so wie im Fall eines Fabry-Perot-Interferometers, aber die Ordnungszahlungenauigkeit der Phasenmessung wird durch die Bestimmung der räumlichen Frequenz der Streifen vermieden. Die sich ergebende Vorrichtung und das Verfahren erlauben eine absolute Bestimmung der gemessenen Wellenlänge mit einer Genauigkeit eines kleinen Teils des freien spektralen Bereichs des Interferometers.

Es ist offensichtlich, daß die Vorrichtung zum Messen der Wellenlänge sowohl eines CW-Lasers (Laser mit kontinuierlicher Wellenaussendung) als auch eines gepulsten oder pulsierenden Lasers verwendbar ist. Wenn ein gepulster Laser verwendet wird, ist es notwendig, das Pulsen oder Pulsieren des Lasers mit dem Abtasten der linearen Fotodiodenanordnung zu synchronisieren. Der "Startimpuls" des Signalverarbeitungskreises 44 kann bequemerweise zu diesem Zweck verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl anwendbar bei Lichtquellen im sichtbaren als auch im nicht sichtbaren Bereich. Beispielsweise können UV- und IR-empfindliche Fotodiodenanordnungen in der dargestellten Vorrichtung verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Wellenlänge eines monochromatischen Lichtstrahls unter Verwendung eines mit zwei spitzwinklig zueinander verlaufenden Glasplatten versehenen Fizeau-Interferometers, wobei der Abstand der auftretenden Interferenzstreifen voneinander unter Verwendung einer optoelektronischen Einrichtung erfaßt wird, gekennzeichnet durch
- a) Berechnen eines Näherungswertes LAMBDA der Wellenlänge aus dem Abstand der Interferenzstreifen,
- b) Ermitteln der Phase der Interferenzstreifen unter Verwendung der optoelektronischen Einrichtung,
- c) Berechnen des optischen Interferenz-Gangunterschiedes L aus der Phase der Interferenzstreifen und aus einer Eichkonstante L₀, die durch Messen eines Gangunterschiedes bei einem Lichtstrahl bekannter Wellenlänge ermittelt wird.
- d) Berechnen eines Näherungswertes für die Interferenz- Ordnungszahl n₀ durch Dividieren des Interferenz- Gangunterschiedes L durch den Näherungswert LAMBDA,
- e) Ermitteln eines Korrekturwertes δ LAMBDA durch Bilden des relativen Restes n₁/n₀, wobei n₁ der beim Dividieren verbleibende Rest ist, und
- f) Addieren dieses Korrekturwertes δ LAMBDA zu dem Näherungswert LAMBDA unter Gewinnung des wahren Wertes der Wellenlänge des Lichtstrahls.