DE4430575C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von Lichtbündeln mit konischen, zylindrischen oder torischen Wellenflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Prüflichtbündeln in der interferometrischen Oberflächenmeßtechnik, d. h. von Lichtbündeln mit konischen, zylindrischen oder torischen Wellenflächen aus Lichtbündeln, die ebene oder sphärische Wellenflächen haben.

Für die Erzeugung von Lichtbündeln mit speziellen Wellenflächen wie ebenen sphärischen und asphärischen (auch konischen, zylindrischen oder torischen) Wellen­ flächen, sind verschiedene Verfahren bekannt. Die Erzeugung von Lichtbündeln mit sphärischen und ebenen Wellenflächen hoher Güte ist technisch ausgereift. Mit rotationssymmetrischen, zentrierten Systemen mit sphärischen Linsen oder Spiegeln werden z. B. Lichtbündel mit sphärischen oder ebenen Wellenflächen aus Laser­ strahlbündeln erzeugt. Konische Wellenflächen können mit einer Kegellinse (Axikon) erzeugt werden (D. Malacara, "Optical Shop Testing", New York 1978, S. 480). Lichtbündel mit zylindrischen Wellenflächen werden z. B. durch Objektive mit Zylinderlinsen aus Lichtbündeln mit ebenen und sphärischen Wellenflächen erzeugt (G.A. Boutry, "Instrumental Optics", London 1961, S. 232). Torische Wellenflächen können mit Objektiven erzeugt werden, in die gezielt Astigmatismus eingeführt wird (K. Mütze, "ABC der Optik", Leipzig 1961, S. 941). Diffraktive optische Elemente (z. B. computergenerierte Hologramme) können ganz allgemein zur Erzeugung von Bündeln mit asphärischen Wellenflächen, darunter auch solchen mit konischen, zylindrischen oder torischen Wellenflächen, eingesetzt werden (D. Malacara, "Optical Shop Testing", New York 1978, S. 378).

Die technische Realisierung von Lichtbündeln mit konischen, zylindrischen oder torischen Wellenflächen ist bisher aufwendig oder ungenau. Das liegt bei der Erzeugung konischer Wellenflächen z. B. daran, daß Kegellinsen aus Glas, die ausreichende Oberflächenqualität haben, bisher nur sehr schwer hergesellt werden können. Zylindrische Wellenflächen können zwar mit Objektiven mit Zylinderlinsen mit guter Qualität erzeugt werden, aber dafür muß eine größere Anzahl solcher Linsen kombiniert werden, so daß der Aufwand groß ist. Torische Wellenflächen von guter Qualität können mit Hilfe astigmatismus-behafteter Objektive praktisch nur in paraxialer Näherung erzeugt werden, so daß die Apertur des Lichtbündels sehr gering ist. Die Herstellung computergenerierter, diffraktiver optischer Elemente höherer Genauigkeit erfordert einen großen technischen Aufwand, so daß solche Elemente sehr teuer sind.

In der DE 24 05 926 ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Bezugsebene angegeben, wonach diese aus sichtbarem Licht erzeugt wird, indem ein eng gebündelter Strahl elektro­ magnetischer Strahlung durch eine Reflektoreinrichtung umgelenkt wird. Es sind zwar Ein­ richtungen angedeutet, die z. B. plane Wellen in zylindrische Wellen umwandeln; die Vor­ schriften sind jedoch nicht ausreichend, um auch eine gezielte Umwandlung von Wellen­ flächen ohne Rücksicht auf die Energiedichte der reflektierten Strahlung in einem bestimm­ ten Volumen zu erreichen.

Die CH 400 606 betrifft einen Aufnahme- und Projektionsspiegel für Panoramabildaufnahme und -bildprojektion unter in horizontaler Ebene liegenden Bildwinkeln bis zu 360°.

Bei den hier eingesetzten Mantelsegmenten für die Reflexionsflächen handelt es sich um verschiedene Tori, die für die angestrebte Erzeugung von Prüflichtbündeln nicht geeignet sind.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, für die interferometrische Oberflächenmeßtechnik, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Prüflichtbündels, d. h. zur Erzeugung eines Licht­ bündels mit konischer, zylindrischer oder torischer Wellenfläche aus einem Lichtbündel mit ebener oder spärischer Wellenfläche zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, die aus einem geraden Kreiskegel besteht, an dessen Mantelfläche das einfallende Lichtbündel reflektiert wird. Solche Kegel können heute mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, wenn sie aus nichtspröden Werkstoffen bestehen. Bei dem Kreiskegel kann es sich um einen Kegel mit konvexer (Außenkreiskegel) oder mit konkaver Mantelfläche (Innenkreiskegel) handeln. Bei einem einfallenden Lichtbündel mit ebenen Wellen­ flächen steht die Kegelachse senkrecht auf den Wellenflächen, während sich bei sphärischen Wellenflächen der Krümmungsmittelpunkt (Fokus) dieser Wellenflächen auf der Rotationsachse des Kreiskegels befindet.

Bei einem einfallenden Lichtbündel mit ebenen Wellenflächen erzeugt der gerade Kreiskegel aus den Wellenflächen konische Wellenflächen. Die Rotationsachse der konischen Wellenflächen stimmt mit der Kegelachse überein. Ist γ der Öffnungswinkel des Kegels, so ist der halbe Öffnungswinkel η der konischen Wellenflächen

η = γ - 90°

Als Sonderfall ergeben sich für γ = 90° zylindrische Wellenflächen.

Bei einem einfallenden Lichtbündel mit sphärischen Wellenflächen erzeugt der gerade Kreiskegel aus den sphärischen Wellenflächen torische Wellenflächen. Eine torische Fläche ist durch zwei Radien definiert (H. Haferkorn, "Bewertung optischer Systeme", Berlin 1986, S. 488), dem Rotationsradius R und dem Meridianradius r (Fig. 1). Bei der gegebenen Anordnung ist die Kegelachse zugleich die Rotationsachse der Tori. Der Fokus wird zu einer kreisförmigen Fokallinie. Der Radius der kreisförmigen Fokallinie ist der Rotationsradius R der Tori. Die Ebene, in der sich die kreisförmige Fokallinie befindet, steht senkrecht auf der Kegelachse. Ist t der Abstand des Fokus der sphäri­ schen Wellenflächen von der Kegelspitze und γ der Öffnungswinkel des Kegels, so ist der Rotationsradius R der torischen Wellenflächen

R = t sinγ.

Der Abstand t′ der Ebene, in der sich die kreisförmige Fokallinie befindet, von der Kegelspitze ist

t′ = t cosγ.

Der Meridianradius r ist durch den Abstand der betrachteten torischen Wellenfläche vom Fokus in der Meridianebene gegeben. Die Apertur des Lichtbündels wird dabei von der Apertur bzw. dem Durchmesser des Bündels mit den sphärischen bzw. ebenen Wellenflächen bestimmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 2 die schematische Darstellung einer an sich bekannten Anordnung zur Erzeugung von Lichtbündeln mit ebenen Wellenflächen und die erfin­ dungsgemäße Anordnung eines geraden Außenkreiskegels mit einem Kegelwinkel von γ ≠ 90° zur Erzeugung eines Lichtbündels mit konischen Wellenflächen,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer an sich bekannten Anordnung zur Erzeugung von Lichtbündeln mit ebenen Wellenflächen und die erfin­ dungsgemäße Anordnung eines geraden Außenkreiskegels mit einem Kegelwinkel von γ = 90° zur Erzeugung von Lichtbündeln mit zylin­ drischen Wellenflächen,

Fig. 4 die schematische Darstellung einer an sich bekannten Anordnung zur Erzeugung eines Lichtbündels mit sphärischen Wellenflächen und die erfindungsgemäße Anordnung eines geraden Außenkreiskegels mit einem Kegelwinkel γ zur Erzeugung eines Lichtbündels mit torischen Wellenflächen,

Fig. 5 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung eines Segments eines geraden Innenkreiskegelstumpfes zur Erzeugung von Lichtbündeln mit konischen Wellenflächen.

In der Anordnung nach Fig. 2 folgen im linken Teilbild einem Laser (1) ein Strah­ laufweitungssystem (2), das das einfallende Laserbündel in ein Lichtbündel mit ebenen Wellenflächen, von denen eine (4) beispielhaft angedeutet ist, transformiert, ein gerader Außenkreiskegel (5), der erfindungsgemäß die ebenen Wellenflächen, z. B. auch (4), in konische Wellenflächen, z. B. (6), transformiert. Der Kegel ist erfin­ dungsgemäß so angeordnet, daß die mit AA′ bezeichnete Kegelachse senkrecht auf den ebenen Wellenflächen des einfallenden Bündels steht. Die mit BB′ bezeichnete Konusachse fällt mit der Kegelachse AA′ zusammen. Das rechte Teilbild zeigt in perspektivischer Darstellung ein Segment der konischen Wellenfläche (6). Die Strahlen sind nur schematisch angedeutet.

In der Anordnung nach Fig. 3 folgen im linken Teilbild einem Laser (1) ein Strah­ laufweitungssystem (2), das das einfallende Laserbündel in ein Lichtbündel mit ebenen Wellenflächen, von denen eine (4) beispielhaft angedeutet ist, transformiert, ein gerader Außenkreiskegel (5) der erfindungsgemäß die einfallenden ebenen Wellen­ flächen in zylindrische Wellenflächen, z. B. (6), transformiert. Der Kegel ist so angeordnet, daß die mit AA′ bezeichnete Kegelachse senkrecht auf den ebenen Wellenflächen steht. Der Öffnungswinkel γ des Kegels ist gleich 90°. Die mit BB′ bezeichnete Zylinderachse fällt mit der Kegelachse AA′ zusammen. Das rechte Teilbild zeigt in perspektivischer Darstellung ein Segment der zylindrischen Wellenfläche (6). In der Anordnung nach Fig. 4 folgen im linken Teilbild einem Laser (1) ein Strahl Aufweitungssystem (2) und ein Strahlformungsobjektiv (3), das das einfallende Laserbündel in ein Lichtbündel mit sphärischen Wellenflächen, von denen eine (4) angedeutet ist, transformiert, ein gerader Außenkreiskegel (5), der erfindungsgemäß die sphärischen Wellenflächen in torische Wellenflächen, von denen eine (6) dargestellt ist, transformiert. Der Kegel ist so angeordnet, daß der Krümmungs­ mittelpunkt der sphärischen Wellenflächen auf der mit AA′ bezeichnete Kegelachse liegt. Die mit BB′ bezeichnete Rotationsachse der torischen Wellenflächen fällt mit der Kegelachse AA′ zusammen. Die mit CC′ bezeichnete kreisförmige Fokallinie der sphärischen Wellenflächen liegt in einer Ebene, die zu der Kegelachse AA′ senkrecht ist. Der Durchstoßpunkt der Kegelachse AA′ durch die Ebene ist der Mittelpunkt der Fokallinie CC′. Der Radius der Fokallinie CC′ ist der Rotationsradius R (s. Fig. 1) der torischen Wellenflächen. Die torische Fläche (6) schneidet eine Ebene, die die Kegelachse AA′ enthält (Meridianebene), in einem Kreissegment. Der Radius des Kreises ist der Meridianradius r der torischen Fläche (6). Das rechte Teilbild zeigt in perspektivischer Darstellung ein Segment der torischen Wellenfläche (6).

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Segment eines geraden Innen­ kreiskegelstumpfes (5). Die Strahlen sind nur angedeutet. Der Öffnungswinkel des Kegels ist von 90° verschieden, so daß konische Wellenflächen (nicht dargestellt) erzeugt werden. BB′ bezeichnet die Konusachse.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Prüflichtbündeln in der interferometrischen Oberflä­ chenmeßtechnik, die ein Lichtbündel mit ebenen Wellenflächen in ein Lichtbündel mit konischen oder zylindrischen Wellenflächen oder ein Lichtbündel mit sphärischen Wel­ lenflächen in ein Lichtbündel mit torischen Wellenflächen transformiert, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zu transformierenden Lichtbündel ein reflektierender gerader Kreiskegel mit konvexer (Außenkegel) oder konkaver Mantelfläche (Innenkegel) angeordnet ist, wobei im Fall der Erzeugung konischer oder zylindrischer Wellenflächen die Kegelachse auf den ebenen Wellenflächen des einfallenden Lichtbündels senkrecht steht und speziell zur Erzeugung zylindrischer Wellenflächen außerdem der Öffnungswinkel des Kegels 90° beträgt während im Fall der Erzeugung torischer Wellenflächen die Kegelachse den Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Wellenflächen des einfallenden Lichtbündels enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des geraden Kreiskegels durch die Mantelfläche eines geraden Kreiskegelstumpfes ersetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des geraden Kreiskegels, bzw. des geraden Kreiskegelstumpfes, durch ein Mantelflächensegment ersetzt ist.