DE3226137A1

DE3226137A1 - Kippinvariantes interferometer mit ebenen spiegeln

Info

Publication number: DE3226137A1
Application number: DE19823226137
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. DDR 6327 Ilmenau Büchner
Original assignee: VEB FEINMESSZEUGFABRIK SUHL; SUHL FEINMESSZEUGFAB VEB; Veb Feinmesszeugfabrik Suhl Ddr 6000 Suhl
Current assignee: Feinmesszeugfabrik Suhl O-6000 Suhl De GmbH
Priority date: 1981-09-24
Filing date: 1982-07-13
Publication date: 1983-04-07
Also published as: DE3226137C2; GB2107079B; DD201191B1; DD201191A1; FR2513375B1; GB2107079A; FR2513375A1

Description

Kippinvariantes Interferometer mit ebenen Spiegeln

Die vorliegende Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo die zu messende technisch- physikalische Größe eine Änderung des optischen Gangunterschiedes bewirkt. Das ist z. B. bei allen Messungen der Meßgröße Länge der Pail, es trifft auch zu für die Messung der Brechzahl, des Druckes, der Zusammensetzung von Gasen oder die Messung der Kraft, sofern deren Wirkung die Änderung einer geometrischen Abmessung eines Körpers verursacht.

Insbesondere eröffnet die Erfindung die Möglichkeit, Meßobjekte mit gut reflektierender Oberfläche, z. B. alle Bauelemente der Optik, wie Linsen, Prismen, Spiegel, auf Ebenheit zu prüfende Flächen oder beliebige andere Meßobjekte direkt mit dem Meßstrahl des Interferometers optisch berührungslos und punktförmig anzutasten·

Es sind, insbesondere hervorgerufen durch die Entwicklung der Lasertechnik, verschiedene Interferometer bekannt· Diesen Interferometern ist gemeinsam, daß sie über fotoelektrische Empfänger und diesen nachgeschaltete Baugruppen verfügen, die eine automatische vorzeichenrichtige Registrierung der Änderungen des optischen Gangunterschiedes ermöglichen· Diese Eigenschaft der Interferometer kann auf zwei Wegen erreicht werden:

1· Das Interferometer erzeugt am Ort der fotoelektrischen Empfänger ein Interferenzbild mit kleinem Ordnungsabstand und die IOtοempfänger werden in diesem Interferenzbild geometrisch so angeordnet, daß bei Änderung der Meßgröße die von ihnen abgegebenen elektrischen Ausgangssignale zueinander 90° phasenverschoben sind. Diese Phasenverschiebung ist notwendig für die automatische vorzeichenrxchtige Registrierung der Gangunterschiedsänderungen.

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2. Das Interferometer erzeugt an den fotoelektrischen Empfängern ein Interferenzbild mit großem Ordnungsabstand und die 90° phasenverschobenen Signale werden mit polarisationsoptischen und optisch- doppelbrechenden Bauelementen erzeugt.

Gemeinsam ist beiden Interferometerarten, daß das gewählte Interferenzbild während der gesamten Messung unverändert erhalten bleiben muß, weil sonst Störungen im Vor- Rückwärtszählvorgang auftreten.

Bei dem erstgenannten Interferometertyp werden zumeist Fizeau- Interferenzen zwischen ebenen Spiegeln in einem reellen oder virtuellen Keil erzeugt. Der Ordnungsabstand ist vom Winkel zwischen den Spiegeln abhängig. Ändert sich dieser Winkel während der Messung, dann ändert sich auch der Ordnungsabstand und damit die Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Ausgangssignalen der Empfänger. Damit dieser Jail nicht eintritt, werden die Spiegel räumlich fest angeordnet und man verwendet Tripelprismen als bewegliche reflektierende Elemente. Werden dagegen ebene Spiegel als bewegliche reflektierende Elemente benutzt, benötigt man für deren Bewegung Präzisionsführungen, da Kippungen der Spiegel um wenige Winkelsekunden schon beträchtliche Phasenfehler im Vor- Rückwärts- Zählverfahren verursachen«

Im zweiten Falle stehen die Spiegel, zwischen denen das Interferenzbild erzeugt wird, parallel zueinander. Meßfehler entstehen, sofern diese Spiegel eine von der parallelen Stellung abweichende Lage einnehmen, so daß man auch hier die kippinvarianten Eigenschaften von Tripelprismen ausnutzt und Tripelprismen als bewegliche reflektierende Elemente einsetzt.

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Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß einerseits zwei Flächen in eine genau definierte Lage (Winkel oder Parallelität) zueinander gebracht werden müssen und andererseits Tripelprismen verwendet werden, an deren Herstellungstechnologie ebenfalls hohe Anforderungen zu stellen sind· Die zulässigen Toleranzen der Winkel zwischen den drei reflektierenden Flächen eines für interferometrische Zwecke verwendeten Tripelprismas liegen bei wenigen WinkelSekunden. Werden sie überschritten, wirkt das Tripel-

"i prisma im optischen Strahlweg wie ein Glaskeil und verändert seinerseits den Ordnungsabstand im Interferenzbild.

Weiterhin kann bei diesen Meßverfahren infolge der Verwendung von Tripelprismen das Meßobjekt nur mechanisch angetastet werden. Dadurch sind in jedem Falle die Unsicherheiten des mechanischen Kontaktes wie Deformationen am Prüfling, die durch die Meßkraft des Tastbolzens ausgeübt werden, Änderungen der Meßkraft infolge Reibung und Hysterese, im Meßergebnis enthalten.

Bs ist noch eine dritte Gruppe von Interferometern bekannt, die die Ebenheitsprüfung von optisch- hochwertigen Flächen gestattet. Bei diesen Interferometern werden die zu prüfenden Flächen ebenfalls optisch- berührungslos angetastet, und es wird zumeist ein flächenhaftes Interferenzbild über der gesamten zu prüfenden Flächen erzeugt. Der Nachteil dieser Interferometer besteht darin, daß die Auswertung des Interferenzbildes visuell vorgenommen werden muß und eine Anwendung des automatischen Vor- Rückwärts - Zählverfahrens nicht möglich ist.

Ziel der Erfindung ist es, ein Interferometer zur Messung kleiner Längen bis etwa 100 mm anzugeben, bei dem unter Verzicht auf Tripelprismen ebene Spiegel als bewegliche reflektierende Elemente verwendet werden können und dennoch eine Winkelbeweglichkeit dieser Spiegel in weiten Grenzen, für die meisten technischen Anwendungen völlig ausreichend, erlaubt ist. Damit kann auf optische und

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feinmechanische Präzisionstechnologien weitgehend verzichtet werden, wodurch der Kostenaufwand je Interferometer wesentlich verringert wird· Weiterhin können Meßobjekte mit gut reflektierender Oberfläche durch den Meßstrahl direkt und punktförmig angetastet werden, ohne daß eine präzise Justierung dieses Meßobjektes bezüglich einer Referenzfläche erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer zu schaffen, bei dem die Phasenlage der elektrischen Signale, die von den fotoelektrischen Empfängern eines Interferometers abgegeben werden, konstant ist und unabhängig von der Winkellage der die Interferenz erzeugenden Spiegelflächen, wobei als Meß- und Referenzspiegel vorzugsweise ebene Spiegel verwendet werden können, wenn die optischen Schwerpunkte der Empfänger nur von homologen Strahlpaaren getroffen werden.

Das Interferometer besteht aus einem ersten Strahlteiler zur Aufteilung des von der lichtquelle ankommenden Lichtstrahls in Meß- und Referenzstrahl, zwei ebenen Spiegeln zur Reflexion der Meß- und Referenzstrahlen, polarisationsoptischen und optisch- doppelbrechenden Bauelementen und einem zweiten Strahlteiler zur Aufteilung der bereits zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen auf fotoelektrische Empfänger. Die beim Auftreffen eines Strahls auf eine Strahlteilerschicht entstehenden Teilstrahlen werden als homologes Strahlpaar bezeichnet. An der ersten Strahlteilerschicht werden aus dem von der Lichtquelle ankommenden Strahl beispielsweise der Meß- und Referenzstrahl als homologes Strahlpaar erzeugt. An der zweiten Strahlteiierschicht werden zwei homologe Strahlpaare erzeugt. Eines davon ergibt sich aus der Teilung des Referenzstrahls und das andere aus der Teilung des Meßstrahls.

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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch, gelöst, daß die fotoelektrischen Empfänger in bezug auf die optischen Bauelemente des Interferometers und den einfallenden Lichtstrahl in besonderer Weise Justiert werden. Man kann den fotoelektrischen Empfänger so betrachten, daß seine fotoelektrisch- aktive Fläche auf einen Punkt, den optischen Schwerpunkt, konzentriert sei. Gemäß der Erfindung werden die optischen Schwerpunkte der Empfänger so justiert, daß sie nur von homologen Strahlpaaren getroffen werden. Stehen Meß- und Referenzspiegel senkrecht aufeinander, sind die aus Meß- und Referenzstrahl erzeugten homologen Strahlpaare deckungsgleich. Himmt der Meßspiegel eine andere Winkellage ein, erzeugen Meß- und Referenzstrahl an der zweiten Strahlteilerschicht homologe Strahlpaare, die zueinander unter einem Winkel liegen. Bei einer Bewegung des Meßspiegels in Richtung des Meßstrahls ist die Phasenlage zwischen den elektrischen Signalen der fotoelektrischen Empfänger unabhängig von der Winkellage zwischen beiden ebenen Spiegeln im gesamten Bewegungsbereich des Meßspiegels konstant und die Phasendifferenz ist Null.

Um die Vor- Rückwärts- Zählung zu ermöglichen, muß zwischen beiden Empfängersignalen eine konstante Phasendifferenz von 90° erzeugt werden. Das wird mit optisch- doppelbrechenden und polarisationsoptischen Bauelementen erreicht. Der von der monochromatischen Lichtquelle ankommende linear polarisierte Lichtstrahl trifft auf eine -τ- Platte aus optisch- doppelbrechendem Material. Die Schwingungsrichtung des Lichtstrahls liegt zu den beiden in der £· Platte möglichen Schwingungsrichtungen unter 45°· Dann erzeugt die ·&- Platte aus dem ankommenden linear polarisierten Licht zirkulär polarisiertes Licht. Dieses wird am ersten Strahlteiler in Referenz- und Meßstrahl aufgeteilt und in einem von beiden Strahlengängen befindet sich eine zweite ^- Platte, die den Umlaufsinn der zirkulären Polarisation des betreffenden Strahls infolge des zweimaligen Durchlaufs umkehrt.

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Die Interferenz von rechts- und linkszirkular polarisiertem Licht nach dem ersten Strahlteiler ergibt linear polarisiertes Licht, dessen Schwingungsebene vom Gangunterschied zwischen beiden interferierenden Teilstrahlen abhängt. Der durch Interferenz entstandene Strahl wird am zweiten Strahlteiler im gleichen Amplitidenverhältnis geteilt. Jeder dieser Teilstrahlen trifft auf einen Polarisator. Die Durchlaßrichtungen beider Polarisatoren stehen zueinander unter einem Winkel von 45°. Bei Bewegung des Meßspiegels in Meßrichtung sind die von den fotoelektrischen Empfängern abgegebenen Signale konstant um 90° phasenverschoben.

Bisher war davon ausgegangen worden, daß die fotoelektrisch

- aktiven Flächen der fotoelektrischen Empfänger auf einen Punkt, den optischen Schwerpunkt, konzentriert seien. Unter dieser theoretischen Voraussetzung kann der Kippwinkel zwischen dem Referenzspiegel und dem Laufspiegel beliebig groß sein und der Vor- Rückwärts- Zählvorgang wird nicht außer Takt kommen, wenn die optischen Schwerpunkte der Empfänger homologe Strahlpaare abtasten. Obwohl dieser theoretisch angenommene lall eines punktförmigen fotoelektrischen Empfängers durch die in letzter Zeit in integrierter Technologie hergestellten Empfänger

mit fotoelektrisch- aktiven flächen von wenigen /um weitgehend angenähert wird, soll der Einfluß einer zwar kleinen, aber dennoch endlichen Empfängerfläche betrachtet werden.

Endlich bedeutet in diesem Falle, daß die fotoelektrisch

- aktive Empfängerfläche < 1 mm und quadratisch bzw.

kreisförmig, also nicht linienförmig ist. Stehen Meß- und Referenzspiegel senkrecht zueinander, ist die Intensitätsverteilung an den fotoelektrischen Empfängern konstant. Kippt der Meßspiegel während der Meßbewegung, ζ. Β., infolge Ungenauigkeit der Führung, entsteht eine sinusförmige Intensitätsverteilung, die von den Empfängern abgetastet wird. Bei kleinem Kippwinkel von wenigen Winkelsekunden

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wird der Ordnungsabstand groß sein im Verhältnis zur fotoelektrisch- aktiven Empfängerfläche und die sinusförmige Intensitätsverteilung wird quasi punktförmig durch den Empfänger abgetastet. Mit größer werdendem Kippwinkel des Meßspiegels wird der Ordnungsabstand kleiner und der Empfänger beginnt, über die sinusförmige Intensitätsverteilung zu integrieren. Dabei nimmt die Amplitude des vom Empfänger abgegebenen elektrischen Signals ab. Die Amplitude ist Null, wenn der Ordnungsabstand gleich der fotoelektrisch- aktiven Empfängerfläche ist. Dieser Fall entspricht einer bestimmten Winkelstellung des Meßspiegels gegenüber dem Referenzspiegel und darf nicht überschritten werden. Der maximale Winkelbereich, in dem der Meßspiegel kippen darf, wird durch die geometrische Abmessung der fotoelektrisch- aktiven Empfängerflache bestimmt.

Tabelle 1 gibt in einigen Beispielen die zulässigen Kippwinkel cd zu den Kantenlängen a der fotoelektrisch- aktiven Empfängerflächen für λ = 633 nm an.

^ +1*5» +2^f11" +10'52» +21'45" +1°48"

a/mm 1 0,5 0,1 0,05 0,01

Tabelle 1

Die 90° Phasenverschiebung ist lediglich von der Justierung der fotoelektrisch- aktiven Empfängerflächen auf den einfallenden Strahl abhängig.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Figur 1: Ausführung des Interferometers als Zweistrahl-

int erferometer

Figur 2: Ausführung des Interferometers als Vielstrahl- - Auflichtinterferometer

Entsprechend Figur 1 ist ein laser 1 vorhanden, der einen monochromatischen Strahl 13 aussendet. Dieser Lichtstrahl durchsetzt eine aus optisch- doppelbrechendem Material bestehende £· Platte 2 und trifft auf einen Teilerwürfel 4

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mit Strahlteilerschicht 5. Die Strahlteilerschicht 5 teilt den ankommenden lichtstrahl 14 im Verhältnis 1:1 in Referenzstrahl 15 und Meßstrahl 16. Der Referenzstrahl 15 wird durch die Teilerschicht 5 zum feststehenden und ebenen Referenzspiegel 6 reflektiert und gelangt von diesem zur Teilerschicht 5 zurück. Der Meßstrahl 16 tritt durch die Teilerschicht 5 hindurch, wird an dem ebenen Meßspiegel 7 reflektiert und passiert zweimal die j*- Platte An der Teilerschicht 5 interferieren die Strahlen 15 und Diese Strahlen werden an der Teilerschicht 8 im Verhältnis 1:1 geteilt, und es entstehen die homologen Strahlpaare 15'» 15" und 16', 16" aus den Strahlen 15 und 16. Die Teilstrahlen 15', 16' durchlaufen das Polarisationsfilter 10 und treffen danach auf den fotoelektrischen Empfänger 11 und ebenso passieren die Teilstrahlen 15"» 16" das Polarisationsfilter und treffen danach auf den fotoelektrischen Empfänger

Der Strahl 13 ist linear polarisiert und die Schwingungsebene seiner Polarisation ist in bezug zu den beiden in der ·£- Platte 2 möglichen Schwingungsebenen so orientiert,

daß sie zueinander einen Winkel von 45° bilden. Dann ist der Strahl 14 zirkulär polarisiert, und es werde angenommen, im rechtsdrehenden Sinn. Der Meßstrahl 16 jedoch durchläuft beim Hin- und Rückweg vom Meßspiegel 7 zweimal die 2j^ Platte 3> deren Orientierung in bezug auf den ankommenden Strahl die gleiche ist wie die der ^- Platte zum Strahl 13. Dadurch ändert sich der Drehsinn der zirkulären Polarisation des zur Teilerschicht 5 zurückkehrenden Strahls 16. Die sich ab der Teilerschicht 5 in gleicher Richtung ausbreitenden Strahlen 15, 16 ergeben Interferenz von rechts- und linkszirkular polarisiertem Licht. Das Ergebnis dieser Interferenz ist ein Strahl, dessen Polarisation linear ist, wobei jedoch die Schwingungsebene der linearen Polarisation nicht konstant ist, sondern abhängt vom Gangunterschied zwischen Referenzstrahl 15 und Meßstrahl 16.

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Die Polarisatoren 9 und 10 sind so zueinander orientiert, daß die Schwingungsebenen der Teilstrahlen 15', 16· und 15", 16" nach Durchlaufen der Polarisatoren im Winkel von 45 zueinander stehen. Dann sind die von den fotoelektrischen Empfängern 11, 12 abgegebenen elektrischen Signale 90 phasenverschoben.

Um die bessere Justierung der fotoelektrisch- aktiven Flächen der Empfänger 11, 12 auf die homologen Strahlpaare zu ermöglichen, kann man in dem vom Laser 1 ankommenden Lichtbündel eine Blende 17 mit kleiner Öffnung anbringen, die den Strahl 13 hindurchläßt und nach erfolgter Justierung entfernt werden kann. In Figur 1 ist die Winkellage zwischen Meßspiegel 7 und Referenzspiegel 6 senkrecht, so daß auch die aus dem Strahl 14 hervorgehenden Teilstrahlen 15, 16 senkrecht zueinander sind. Deshalb sind diese Teilstrahlen nach ihrem zweiten Passieren der Teilerschicht 5 in der zeichnerischen Darstellung von Figur 1 in Deckung. An der Teilerschicht 8 entsteht aus dem Strahl 15 das homologe Strahlpaar 15', 15" und aus dem Strahl 16 das homologe Strahlpaar 16', 16". Die Justierung der Empfänger erfolgt so, daß die Strahlen 15', 16' auf die fotoelektrisch- aktive Fläche des Empfängers 11 fallen und die Strahlen 15", 16" entsprechend auf die fotoelektrisch- aktive Fläche des Empfängers 12. Diese Justierung kann mit Hilfe der Blende 17 zunächst visuell vorgenommen und bei weiterer Verfeinerung anhand des oszillografischen Ergebnisses der Überlagerung der elektrischen Ausgangssignale beider Empfänger fortgesetzt wwrden.

Ein Keil des Doppelkeilpaares, z. B. 20, ist räumlich fest angeordnet und der andere Keil 19 ist senkrecht zur Richtung des Meßstrahls 16 verschiebbar angebracht, so daß sich bei einer Verschiebung des Keils 19 eine Änderung des optischen Gangunterschiedes zwischen dem Referenzstrahl 15 und dem Meßstrahl 16 ergibt.

Es können aber auch beide Keile 19, 20 in dieser Richtung gegenläufig verschoben werden· Durch die Verschiebung der Keile ist es möglich, eine definierte Änderung des Gangunterschiedes zu erreichen, z. B· zum Zwecke der Interpolation oder Modulation.

In Pigur 2 ist eine weitere Anordnung gezeigt, in der Vielstrahl- Pizeau- Interferenzen am reellen Keil erzeugt werden· Die verwendeten Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Pigur 1· Der vom Laser ankommende linear polarisierte Strahl 13 trifft unter 45°- Orientierung auf die ^- Platte 2, die den reehtszirkular polarisierten Strahl 14 erzeugt· Dieser Strahl passiert die Teilerschicht 5 und wird an der teilverspiegelten Schicht 18 des Referenzspiegels 6 in einen hindurchgelassenen und einen reflektierten Teil geteilt. Der reflektierte Teilstrahl 15 stellt den Referenzstrahl dar und ist reehtszirkular polarisiert. Der hindurchgelassene Teilstrahl 16 bildet den Meßstrahl, dessen Drehsinn der zirkulären Polarisation sich infolge des zweimaligen Durchlaufes durch die -&· Platte 3 umkehrt. Auch die mehrfach zwischen dem Referenzspiegel 6 und dem Meßspiegel 7 hin- und herreflektierten Teilstrahlen 16 behalten die linkszirkuläre Polarisation bei, da die Anzahl der Durchlaufe des Teilstrahls 16 ab der teilverspiegelten Schicht 18 und zurück immer geradzahlig ist·

- η-

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Monochromatische lichtquelle

2 ^- Platte

3 j*- Platte

4 Strahlteiler

5 Strahlteilerschicht

6 Referenzspiegel

7 Meßspiegel

8 Strahlteilerschicht

9 Analysator

10 Analysator

11 J?otoelektrischer Empfänger

12 Fotoelektrischer Empfänger

13 einfallender Lichtstrahl

14 zirkulär polarisierter Lichtstrahl

15 Referenzstrahl

16 Meßstrahl

15' homologer Strahl

15" homologer Strahl

16* homologer Strahl

16" homologer Strahl

17 Blende

18 Strahlteilerschicht

19 Keil beweglich

20 Keil fest

Claims

1125137

Patentansprüche

Γ 1 .jKippinvariantes Interferometer mit ebenen Spiegeln, bestehend aus einer monochromatischen lichtquelle, strahlteilenden und strahlreflektierenden Elementen, polarisationsoptischen und optisch- doppelbrechenden Bauelementen und fotoelektrischen Empfängern, gekennzeichnet dadurch, daß die fotoelektrisch aktiven Flächen der fotoelektrischen Empfänger (11, 12) relativ zueinander und zu den strahlteilenden Elementen (5, 8) und zu den strahlreflektierenden Elementen (6, 7) so angeordnet sind, daß sie nur von homologen Strahlpaaren (15Γ 15'') und (16^f, 16") getroffen werden.

2· Kippinvariantes Interferometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß vor dem ersten strahlteilenden Element (5) eine erste ^- Platte (2) aus optisch- doppelbrechendem Material angeordnet ist und in einem Seilstrahl nach dem ersten strahlteilenden Element (5) eine zweite &- Platte (3)

angeordnet ist und nach dem zweiten strahlteilenden Element (8) in jedem Teilstrahlengang (15', 16·) und (15", 16») ein polarisationsoptischer Analysator (9, 10) und diesem nachgeschaltet je ein fotoelektrischer Empfänger (11, 12) angeordnet ist und die Durchlaßrichtungen dieser Analysatoren einen Winkel zueinander bilden·

3· Kippinvariantes Interferometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die strahlteilenden Elemente (5, 8) und das strahlreflektierende Element (6) zu einer festen Baueinheit zusammengefügt sind·

4. Kippinvariantes Interferometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein strahlreflektierendes Element als teildurchlässiger Spiegel (18) ausgebildet ist und parallel zu ihm das strahlreflektierende Element (7) angeordnet ist "und sich zwischen beiden strahlreflektierenden Elementen (7, 18) die ^- Platte (3) befindet.

5. Kippinvariantes Interferometer nach. Anspruch. 1, gekennzeichnet dadurch, daß in einem Seilstrahlengang des Interferometers ein Doppelkeilpaar (19, 20) angeordnet ist·