DE3300369A1 - Stehende-wellen-interferometer zur messung von optischen gangunterschieden - Google Patents
Stehende-wellen-interferometer zur messung von optischen gangunterschiedenInfo
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Description
Stehende-Wellen-Interferometer zur Messung von optischen
Gangunterschieden·
Die vorliegende Vorrichtung kann überall dort angewendet werden, wo die zu messende technisch- physikalische
Größe eine Änderung des optischen Gangunterschieds bewirkt· Das ist z· B. bei allen Messungen der
Meßgröße länge der lall, 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 der stehenden Welle optisch- berührungslos und punktförmig anzutasten·
Es sind Meßvorrichtungen bekannt, wie z· B· DE 1 623 277,
"Interferometer insbesondere zur Längenmessung, bei welchem ein über eine Meßstrecke geleitetes Seilbündel
mit einem anderen Teilbündel zur Interferenz gebracht
wird", oder DE 1 673 843, "Verfahren zur simultanen interferometrischen Messung von zwei Längen mittels
monochromatischer Lichtbündel, welche in Teileranordnungen
jeweils einer Intensitatsaufteilung in Seferenz-
bzw. Meßbündel unterliegen und bei welchen die rücklaufenden
Meß- bzw· Referenzbündel in denselben Teilereinrichtungen
zur Bildung von intensitätsmodulierten
Liehtbündeln vereinigt werden", oder auch DE 1 773 541,
"Vorrichtung zur Messung der Änderung einer optischen Weglänge mit Hilfe eines Interferometers, bei dem ein
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durch eine Strahlungsquelle erzeugtes elektromagnetisches Strahlbündel mit Hilfe von optischen Mitteln
in zwei räumlich getrennte Teilbündel gespaltet wird, die wieder zusammengefügt werden und auf einen strahlungsempfindlichen,
ein Auagangssignal liefernden Detektor fallen".
Den hier genannten und allen anderen Interferometern
ist gemeinsam, daß sich an irgendeiner Stelle im interferometrischen
Strahlengang eine Teilerschicht befindet, die den ankommenden Lieht strahl in zwei Teilstrahlen,
den Meß- und Referenzstrahl, teilt, die beide unterschiedliche Strecken durchlaufen und wiedervereinigt
werden· Die Interferenzerscheinung entsteht
also durch Überlagerung zweier, sich in gleicher Richtung ausbreitender Strahlen·
Der Bachteil dieser Interferometer ist die Notwendigkeit des Vorhandenseins des Referenzstrahlenganges·
Dadurch wird einerseits verhindert, daß man Interferometer
mit räumlich kleinsten Abmessungen aufbauen
kann und andererseits können durch den Referenzstrahlengang
Fehler in das interfer©metrische Iffeßergebnis
eingestreut werden, da man bei Gangunterschiedsänderungen am Interferometerausgang nie feststellen kann, ob
sie im Meß- oder Referenzstrahlengang verursacht wurden.
Ziel der Erfindung ist es, ein Interferometer zu schaffen, in dem Meßstrahlengang, Referenzstrahlengang und fotoelektrische
Abtastung zu einer Einheit integriert und auch keine Strahlengänge mehr vorhanden sind, die in
aufeinander senkrecht stehenden Richtungen verlaufen,
so daß der Platzbedarf des Interferometers auf den Lichtstrahl an sich reduziert ist· Dadurch ist es
möglich, das Interferometer auf Grund eines einfachen optischen Aufbaus und seiner geringen Abmessungen
ASA 2/82
auch an bisher für die Interferometrie nicht zugänglichen Meß objekt en einzusetzen·
ferner stört eine gewisse Winkelbeweglichkeit des Meßspiegels den Meßvorgang nicht, so daß bei gut reflektierenden
Eigenschaften des Meßobjektes dieses mit dem Meßstrahl unmittelbar angetastet werden kann,
ohne präzise zum Meßstrahl justiert werden zu müssen·
Durch den Wegfall des Referenzstrahlenganges ist das
Meßergebnis auch frei von Fehlern, die bei den bekann ten Interferometern durch den Referenzstrahlengang
in das Meßergebnis eingestreut werden·
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer
mit kleinsten räumlichen Abmessungen und einfachem optischem Aufbau zu schaffen· Järfindungsgemäß
wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen einer monochromatischen lichtquelle und einem Meßspie
gel eine stehende Welle erzeugt wird· Zwischen der monochromatischen Lichtquelle und dem Meßspiegel befindet
sich ein Abtaetetalon· Dieser Abtastetalon besteht aus zwei ebenen parallelen Flächen, die senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung der stehenden Welle orientiert sind· Der Abstand dieser Flächen beträgt
k * I , wobei k eine beliebige ungerade Zahl und die
Wellenlänge der monochromatischen Strahlung ist· Die
Flächen des Abtastetalons sind mit optisch- teildurch lässigen und fotoelektrisch- aktiven Schichten versehen·
Diese Schichten wirken wie fotoelektrische Empfänger, indem sie die Knoten und Bäuche der stehenden
Welle abtasten· Durch den bestimmten Abstand dieser Flächen erhält man zwei um 90° phasenverschobene
elektrische Signale, die in bekannter Weise die vorzeichenrichtige Registrierung des Durchlaufs der
Knoten und Bäuche durch die Flächen des Abtastetalons
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durch die Anwendung des automatischen Vor- Rückwärts-Zählverfahrens
gestatten·
Es ist bekannt, daß beim Auf treffen eines lichtstrahls
auf eine reflektierende Fläche ein Phasensprung von 180° stattfindet. Beträgt der Auftreffwinkel 90°,
dann interferieren awei sich in entgegengesetzter
Richtung ausbreitende Mchtstrahlen miteinander, und es kommt zur Ausbildung einer stehenden Welle· Die
Knoten der stehenden Welle liegen in Abständen von η * α vor der Spiegelfläche, wobei η alle ganzen Zahlen
sind und die Maxima haben Abstände von k · | zur Spiegelfläche, wenn k alle ungeraden Zahlen sind«
Denkt man sich eine Ebene parallel zur Spiegelfläche in die stehende Welle hineingestellt und bewegt diese
Ebene in Richtung der stehenden Welle, dann wird sie nacheinander von den Knoten und läazima der stehenden
Welle durchsetzt, und es wiederholt sich derselbe Vorgang, wenn die Ebene fest steht und der Spiegel zu
sich bewegt wird· Denkt man sich weiterhin parallel zur ersten Ebene eine zweite Ebene, so in der stehenden
Welle angeordnet, daß der gegenseitige Abstand zwi-' sehen beiden Ebenen k · jf beträgt und bewegt den Spiegel
parallel zu sich, dann werden die beiden Ebenen nacheinander von den Knoten und Maxima der stehenden
Welle durchsetzt und der zeitliche Ablauf dieses Vorganges erfolgt mit einer Phasenverschiebung von 90°.
Dasselbe gilt, wenn der Spiegel fest steht und beide Ebenen parallel zu sich und im konstanten Abstand in
Richtung der stehenden Welle bewegt werden· Bei Stellung des Spiegels senkrecht zur einfallenden Welle
ist die Intensitätsverteilung in den Ebenen, die durch die Flächen des Abtastetalons gebildet werden, konstant·
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Bei geneigtem Spiegel dagegen werden die Wellenfronten unter einem Winkel zu den einfallenden Wellenfronten
reflektiert und es entsteht in den Ebenen des Abtastetalons eine sinusförmige periodische Intensitätsverteilung«
Die Amplituden der von den Empfängern des Abtastetalons abgegebenen elektrischen Ausgangssignale
werden bei größer werdendem Kippwinkel kleiner und sie sind Bull, wenn der Empfänger über eine Ordnung
der sinusförmigen periodischen Intensitätsverteilung integriert· Bei angenommener kreisförmiger fotoelektrisch-
aktiver Empfängerfläche mit dem Durchmesser a gibt die (Tabelle denjenigen Kippwinkel <<- des Spiegels
an, für den der Ordnungsabstand in der Ebene der Empfängerflache
gleich dem Durchmesser des Empfängers ist·
χ +1·5'» +2*11" +10*52'» +21f45lf +1°48f
a/mm 1 0,5 0,1 0,05 0,01
Unter diesen Bedingungen kann bei einem Meßobjekt mit
Sa* reflektierender Oberfläche das Meßobjekt selbst
die Funktion des Spiegels übernehmen, ohne es präzise zum einfallenden Strahl justieren zu müssen·
Die Erfindung soll anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert werden· In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Figur 1: Abtastetalon als Glasplatte Figur 2: Abtastetalon als Luftplatte
Figuren 3 und 4: Gesamtaufbau des Stehende-Wellen
-Int erferomet ers
In Figur 1 ist die stehende Welle 1 dargestellt, die am Meßspiegel 3 infolge des von links einfallenden
Lichtstrahls erzeugt wird· In der stehenden Welle 1 befindet sich der Abtastetalon 2, der hier als Glasplatte
dargestellt ist· Der Abtastetalon 2 wird in Richtung der stehenden Welle 1 durch die Flächen 12,
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J?
"begrenzt, die zueinander parallel sind und den gegenseitigen
Abstand k · | haben· Die Flächen 12, 13 sind
mit optisch- teildurchlässigen, fotoelektrisch- aktiven Schichten versehen, die elektrische Ausgangssignale
erzeugen, die der jeweiligen Stellung der Flächen 12,13 in der stehenden Welle 1 entsprechen· In Figur 1
wird demnach die Amplitude des elektrischen Ausgangssignals, das von der Fläche 12 erzeugt wird, Hull sein,
während die auf der Fläche 13 befindliche Schicht eine maximale Amplitude erzeugt· Bei Bewegung des
Meßspiegels 3 in Pfeilrichtung und feststehendem Abtastetalon
2 werden von den optisch- teildurchlässigen, fotoelektrisch- aktiven Schichten auf den Flächen
12, 13 zwei um 90° phasenverschobene Signale abgegeben, die die Bestimmung des vom Meßspiegel 3 zurückgelegten
Weges in Einheiten der Wellenlänge der verwendeten monochromatischen Strahlung nach dem Tor- Rückwärts-Zählverfahren
gestatten· Bei Anwendung der Impulsvierfachauswertung
entspricht einem Zählschritt die Wegänderung | ·
In Figur 2 ist der Abtastetalon 2 in einer anderen Ausftihrungsform in der stehenden Welle 1 dargestellt·
Br besteht aus zwei Keilpaaren, wobei ein Keilpaar durch die Keile 2·4 und 2.5 und das andere Keilpaar
durch die Keile 2·7 und 2·8 gebildet wird· Die optisch
- teildurchlässigen, fotoelektrisch- aktiven Schichten befinden sich auf der Fläche 12 des Keiles 2.5 und
auf der Fläche 13 des Keiles 2.7 · Zwischen den Flächen
12 und 13 entsteht der Abtastetalon 2 in diesem Falle
als Luftplatte· Der Abstand der Flächen 12, 13 beträgt
wieder k · \ und wird hier durch das Distanzstück 2.6
erzeugt· Das Distanzstück 2·6 wird vorzugsweise aus einem Material mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten,
ζ·Β· Invar, hergestellt· Durch diesen Aufbau des Abtastetalons 2 ist es möglich, den Abstand zwischen
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«Κ «
den Flächen 12, 13 sehr klein zu halten* Dadurch werden
Abweichungen von der 90° Phasenverschiebung der elektrischen Ausgangssignale, die durch Abstandsänderungen
zwischen den Flächen 12, 13 verursacht werden, weitgehend vermieden. Weiterhin ist der Ausdehnungskoeffizient
von Invar mit der Änderung der Wellenlänge in Luft infolge Temperaturänderung nahezu identisch,
so daß auch diese Fehlerquelle weitgehend ausgeschaltet ist·
In Figur 3 ist eine Ausführungsform des Stehende-Wellen
-Interferometers gezeigt. Die Strahlung der monochromatischen Lichtquelle 9, die vorzugsweise ein Laser
sein kann, wird am Meßspiegel 3 in sich reflektiert, so daß zwischen der Lichtquelle 9 und dem Meßspiegel 3
die stehende Welle 1 erzeugt wird. Die Verschiebung der Bäuche und der Knoten der stehenden Welle 1 bei
Bewegung des Meßspiegels 3, der bei gut reflektierender Oberfläche des Meßobjektes auch das Meßobjekt selbst
sein kann, wird durch den Abtastetalon 2 registriert, Zwischen der Lichtquelle 9 und dem Abtastetalon 2
befindet sich eine τ - Platte 10 aus optisch- doppelbrechendem
Material. Diese τ - Platte 10 erzeugt aus dem ankommenden linear polarisierten Licht zirkulär
polarisiertes Licht, das vom Meßspiegel 3 reflektiert wird und ein zweites Mal durch die | - Platte 10 hindurchläuft.
Das in Richtung Lichtquelle 9 aus der 4 - Platte 10 austrtende Licht ist in bezug zu dem von
der Lichtquelle 9 ankommenden Licht in einer um 90° versetzten Ebene polarisiert, so daß keine Rückkopplungseffekte
zwischen der stehenden Welle 1 und der Lichtquelle 9 auftreten können.
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/to
Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Stehende-Wellen-Interferometers· Die monochromatische
Strahlung läuft durch ein £ripelprisma 11, das unsymetrisch zum ankommenden Strahl steht· Dadurch
wird der Strahl seitlich, und parallel zu sich, versetzt
und trifft auf einen Spiegel 14, der die stehende Welle 1 erzeugt* Bei Bewegung des Tripelprismas
11 durchläuft die stehende Welle 1 die Verschieb estr ecke zweimal, so daß bei Anwendung der
O Impulsvierfachauswertung einem Weginkrement die
Verschiebestrecke * -zugeordnet ist- Die | - Platte
verhindert Räckkopplungseffekte zwischen der stehenden Welle 1 und der Lichtquelle 9·
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L e e r s e 11 e
Claims (1)
- Pat entansprttohe1Λ Stehende-Welle-Interferometer zur Messung von optischen Gangunterschieden, bestehend aus einer monochromatischen Lichtquelle, optisch- doppelbrechenden und
reflektierenden Bauelementen, gekennzeichnet dadurch,
daß zwischen der monochromatischen Lichtquelle (9) und einem Meßspiegel (3) eine stehende Welle (1) vorhanden ist und in dieser stehenden Welle (1) ein aus einem optisch- transparenten Material bestehender Abtastetalon (2) angeordnet ist, der aus zwei ebenen und zueinander parallelen Flächen (12, 13) besteht, die in der stehenden Welle (1) so orientiert sind, daß sie senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden Welle (1) stehen und der gegenseitige Abstand dieser Flächen (12, 13) konstant ist und k*4 beträgt und die Flächen (12, 13) des Abtastetalons (2) mit optisch- teildurchlässigen, fotoelektrisch- aktiven Schichten versehen sind·2· Stehende-Wellen-Interferometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abtastetalon (2) als
Glasplatte ausgebildet ist«3· Stehende-Wellen-Interferometer naoh Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abtastetalon (2) als
Luftplatte ausgebildet ist und aus zwei Keilpaaren
(2.4, 2*5) bzw, (2·7, 2,8) besteht und der Abstand
zwischen den mit den optisch- teildurchlässigen, fotoelektrischaktiven Schichten versehenen Flächen (12, 13) durch ein Material mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten, ζ·Β. Invar, eingestellt ist·4· Stehende-Wellen-Interf erometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der monochromatischen Lichtquelle (9) und dem Abtastetalon (2) eine
^ - Platte (10) aus optisch- doppelbrechendem Material angeordnet ist·ASA 2/825# Stehende-Wellen-Interferometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Spiegel "(14) die stehende Welle (1) erzeugt und im Strahlengang der stehenden Welle (1) ein Tripelprisma (11) angeordnet ist«ASA 2/82
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