DE3112633A1

DE3112633A1 - "zweistufeninterferometer"

Info

Publication number: DE3112633A1
Application number: DE19813112633
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl.-Phys. DDR 6908 Jena-Winzerla Bechstein
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1981-03-30
Publication date: 1982-04-15
Also published as: GB2079000A; GB2079000B; JPS5714703A; FR2485718B1; FR2485718A1; DD158187A3; SU1168800A1

Description

Zweistufeninterferometer

Die Erfindung betrifft ein Zweistufeninterferometer, insbesondere für Längenmessungen. Das Zweistufeninterferometer arbeitet zur Bestimmung der Richtung der längenänderungen mit zwei Interferenzbildern·

In der DD-PS 111.993 ist ein optisches Interferometer zur Erzeugung von zwei Interferenzbildern beschrieben, wobei der Strahlenteiler beidseitig, im wesentlichen parallel zu seiner strahlenteilenden Fläche angeordnet, jeweils eine weitere strahlenteilende teilverspiegelte Fläche aufweist. Diese Flächen lenken Lichtanteile der beiden Teillichtbündel des Interferenzbildes um und bringen diese nochmals miteinander zur Interferenz.

Bei diesem Zweistufeninterferometer, dem das Michelsonsche Prinzip zugrundeliegt, wurde zwecks optimaler Festlegung des Referenzpunktes der interferometrischen Messung ein Koppelprisma vorgesehen, welches jedoch einen stark unsymmetrischen Strahlengang im Interferometer bedingt.

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Die günstigste Lage des Referenzpunktes und die Symmetrie im metrologisch empfindlichen Teil des Interferometers schließen bei diesem Interferometer einander aus· So ist es nicht möglich, z·· B. im Auflösungsbereich 10 ··· 10^m über größere Meßzeiten nullpunktstabil messen zu können, weil die den Lichtweg bestimmenden Teile des Interferometers bei thermischen Störungen eine, unterschiedliche .Änderung der optischen Weglänge im Meß- und Referenzstrahlengang zulassen·

Es ist Zweck der Erfindung, die Hachteile des Standes der Technik zu beseitigen und die Genauigkeit bei interferometrischen Meßsystemen zu erhöhen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Symmetrierung des Strahlenganges bei Zweistufeninterferometern und interferometrischen Meßsystemen und damit eine von äußeren Einflüssen weitgehend unabhängige optische Weglänge im Interferometer zu erzielen, und gleichzeitig eine parallele Lage von Meß- und Referenzstrahlengang zu gewährleisten· Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei Zweistufeninterfero-.metern mit einem Strahlenteiler, der beiderseitig zu seiner strahlenteilenden Pläche jeweils eine weitere strahlenteilende Leilverspiegelte Pläche besitzt, dadurch gelöst, daß an. dem dem Meß- und Referenzreflektor zuge-.wandten Ende des Strahlenteilers ein einteiliges oder ein aus mehreren, unabhängig voneinander justierbaren Einzelprismen zusammengesetztes Umlenkelement angeordnet ist, daß das Umlenkelement optisch wirksame,'die Lichtbündel parallelrichtende Reflexionsflächen besitzt, die mit der Interferenzebene vorzugsweise gleiche Winkel einschließen, und daß das Umlenkelement eine Strahlen-

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austrittsflache besitzt, welche zur Interferenzebene senkrecht verläuft.

■Dabei ist es vorteilhaft, daß der Strahlenteiler an seinem dem Meß- und Referenzreflektor zugewandten Ende eine Schnittfläche besitzt, an welcher das Umlenkelement angeordnet ist und die senkrecht zur Interferenzebene verläuft· Eine technologisch einfach zu realisierende Lösung wird erreicht, wenn die Einzelprismen des Umlenkelementes symmetrisch zur Interferenzebene angeordnet und zu einem Umlenkprisma vereinigt sind, wobei die Strahlenaustrittsflächen der Einzelprismen angenähert in einer Ebene liegen,· die senkrecht zur Interferenzebene verläuft· Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei dem Zweistufeninterferometer die die Interferenzebene umfassende Fläche und die dazu parallel verlaufenden, strahlenteilenden Flächen in Richtung des Meß- und Referenzstrahlenganges verlängert sind, und daß an den nicht teilverspiegelten Verlängerungen dieser Flächen die Lichtbündel umlenkende und parallelrichtende Auskoppelprismen angeordnet sind. Durch die Erfindung wird ein paralleler Verlauf des Meß- und Referenzstrahlenganges bei Zweistufeninterferometern und Symmetrie zwischen diesen Strahlengängen innerhalb des Strahlenteiler erreicht· Hieraus erwächst eine größere Genauigkeit der mit solchen Interferometern ausgerüsteten Geräte, weil auch über größere Meßzeiten hinweg die optische Weglänge im Meß- und Referenzstrahlengang innerhalb des Interferometers trotz auftretender Temperaturänderungea konstant bleiben· Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der gesamte Interferone terstrahlengang gegen kleine Kippungen des Interferometers unempfindlich ist. Die einzelnen Teile des Interferometers sind einfach im Aufbau,

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Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: .

Pig. 1 einen Strahlenteiler mit einstückigem Umlenkprisma, Fig. 2 einen Strahlenteiler mit zusammengesetzem Umlenkprisma und

Pig. 3 einen Strahlenteiler mit verlängerten Flächen. Das in'den Figuren 1 und 2 dargestellte Zweistufeninterferometer, wie es insbesondere für die Messung von Längen und Verschiebungen angewendet, wird, umfaßt vorteilhaft als Lichtquelle 1 einen Laser, einen Strahlenteiler 2 mit einer strahlenteilenden, teilverspiegelten, als Interferenzebene 3 dienenden Fläche zur Erzeugung zweier getrennter Lichtbündel 4 und 5 und im Lichtweg dieser Lichtbündel. •4 und 5 gelegene Reflektoren. Sp ist im Lichtweg des Lichtbündels 4 ein verschiebbarer"Meßreflektor 6 und im Lichtweg des Lichtbündels 5 ein fester Referenzreflektor 7 angeordnet, wobei diese Reflektoren vorteilhaft als Tripelspiegel ausgebildet sind. Beiderseitig der Interferenzebene 3 ist im Strahlenteiler 2 jeweils eine weitere strahlenteilende, teilver spiegelte Fläche 8 und 9 vorgesehen, •welche parallel zur Interferenzebene 3 verlaufen und symmetrisch zu dieser gelegen sind. An seinem dem Meß- und Referenzreflektor 6 und 7 zugewandten Ende besitzt der Strahlenteiler 2 "eine Schnittfläche 10, an welcher ein einteiliges (Fig. 1) oder ein aus mehreren, unabhängig voneinander justierbaren Einzelprismen 11 und 12 (Pig· 2) zusammengesetztes Umlenkelement 13 angeordnet ist. Das Umlenkelement 13 hat optisch wirksame Reflexionsflächen 14 und 15, welche mit. der Interferenzebene 3 vorzugsweise gleiche Winkel einschließen. Diese Winkel sind so

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dimensioniert, daß die lichtbündel 4 und 5 des Meß- und Referenzstrahlenganges parallel verlaufen· Eine Justierung der Reflexionsflächen 14 und 15 ist bei der Ausführung gemäß fig. 2 in gewissen Grenzen möglich, indem dazu die Dicke der Kittschicht zwischen den Einzelprismen 11 und 12 und zwischen der Schnittfläche 10 und den Einzelprismen 11 und 12 ausgenutzt wird. Das Umlenkelement 13 besitzt eine Strahlenaustrittsfläche 16, die senkrecht zur Interferenzebene 3 verläuft. Bei der Anordnung nach Pig. 2 sind die Strahlenaustrittsflächen 17 und 18 der Einzeiprismen 11 und 12 so vorgesehen, daß sie angenähert in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Interferenzebene 3 verläuft·

Eine besonders vorteilhafte Ausführung eines Strahlenteilers 19 des Zweietufeninterferometers ist in Fig. 3 dargestellt. Der Strahlenteiler 19 ist, wie aus der Pig₀ 3 ersichtlich, vorteilhaft aus zwei planparallelen Hatten 20 und 21 zusammengesetzt, wobei die Flächen 22, 23 und 24 in einem bestimmten, den Strahlenteiler bestimmenden Teil, teilverspiegelt sind. Diese Flächen 22, 23 und 24 sind in Richtung des Meß- und Referenzreflektors 6 und 7 verlängert, wobei diese Verlängerungen nicht teilverapiegelt sind. An den Verlängerungen der Flächen 22 und 24 befinden sich, die Iiichtbündel umlenkende und parallelrichtende Auskoppelprismen 27 und 28. Die Fläche 23 stellt die Interferenzebene analog zu Fig. 1 und 2 dar.

Eine Einstellung und Symmetrierung der Lichtwege des Meß- und Referenzstrahlenganges innerhalb des Interferometers ist bei der Ausführung nach Fig, 3 durch ein Justieren der Auskoppelprismen 27 und 28 zueinander erreichbar, indem diese !Prismen entlang den Verlängerungen der Flächen 22 und 24 verschoben und unter Ausnutzung.der Dicke der Kittschicht verkippt werden.

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Anhand der Fig. 3 soll die Punktion des Zweistufeninterferometers beschrieben werden, wobei die Punktion der Ausführungen nach den Piguren 1 und 2 analog ist. Das von • der lichtquelle 1, einem laser, ausgehende und kollimierte Lichtbündel wird über ein am Strahlenteiler 2, 19 angeordnetes. Einkoppeiprisma 29 in den oberen Teil desselben eingeleitet* Das Einkoppelprisma 29 ist vorgesehen, um die Richtungen des einfallenden Lichtbündels und der Lichtbündel 4 und 5 gleich zu machen, was für manche Meßzwecke vorteilhaft ist. Andererseits kann grundsätzlich auch das Lichtbündel über das Prisma 30 in den Strahlenteiler 2, 19 eingeleitet werden. Das eingeleitete Strahlenbündel durchsetzt die Teilerschicht der Fläche 23 und wird hier in zwei Lichtbündel 4 und 5, die den Meß- und Referenzstrahlengang darstellen, aufgeteilt. Diese Lichtbündel 4 und 5 verlassen über die Auskoppelprismen 27 und 28 das Interferometer und werden durch den Meßreflektor 6 und den Referenzreflektor 7 in den unteren Teil des Strahlenteilers 2, 19 versetzt und in der Teilerschicht der Pläche 23, die die Interferenzebene darstellt, zur Interferenz gebracht· Von dost gelangen die Teilbündel, die bereits die Interferenzinformation enthalten, gemäß dem bekannten Zweistufenprinzip über die Teilerschichten der Flächen 22 und 23 und die'Prismen 30 und 31 auf Signalempfänger 32 und 33 bzw· als reflektierender Lichtanteil von den Teilerschichten der Flächen 22 und 24 zur zweiten Interferenz in der Ebene der Pläche 23 und von dort zu den Signalempfängern 34 und 35. .

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Claims

Patentansprüche

1.J Zweistufeninterferometer, insbesondere für Längenmessungen, mit einer Lichtquelle, einem Strahlenteiler mit einer strahlenteilenden, teilverspiogelten, als Interferenzebene dienenden Fläche zur Erzeugung zweier getrennter Lichtbündel, einem im Lichtweg des ersten Lichtbündele angeordneten Meßreflektor und einem im Lichtweg des zweiten Lichtbündels angeordneten Referenzreflektor., wobei der Strahlenteiler beiderseitig der die Interferenzebene bildenden Fläche jeweils eine weitere strahlenteilende, teilverspiegelte Fläche aufweist und diese Flächen symmetrisch zur Interferenzebene liegen, dadurch gekennzeichnet, daß an dem dem Meß- und Referenzreflektor zugewandten Ende des Strahlenteilers ein einteiliges oder ein aus mehreren, unabhängig voneinander justierbaren Einzelprismen zusammengesetztes Umlenkelement angeordnet ist, daß das Umlenkelement optisch wirksame, die Lichtbündel parallelrichtende Reflexionsflächen besitzt, die mit der Interferenzebene vorzugsweise gleiche Winkel einschließen, und daß das Umlenkelement eine Strahlenaustrittsfläche besitzt, welche zur Interferenzebene senkrecht verläuft.·

2. Zweistufeninterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler an seinem, dem Meß- und Referenzreflektor zugewandten Ende eine Schnittfläche besitzt, an welcher das Umlenkelement angeordnet ist und die senkrecht zur Interferenzebene verläuft· . .

3· Zweistufeninterferometer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelpriamen des Umlenkelementes symmetrisch zur Interferenzebene angeordnet und zn einem Umlenkprisma vereinigt sind, wobei die •ätrahlenauetrittafläohen der Einzelprismen angenähert

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in einer Ebene liegen, die senkrecht zur Interferenzebene verläuft·

4· Zweistufeninterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Interferenzebene umfassende Fläche und die dazu parallel verlaufenden, strahlenteilenden Flächen in Richtung des Meß- und Referenzstrahlenganges verlängert sind, und daß an den nicht teilverspiegelten Verlängerungen dieser Flächen die Lichtbündel umlenkende und parallelrichtende Auskoppelprismen angeordnet sind.

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