DE2127483A1 - Verfahren zur interferentiellen Messung von Langen, Winkeln, Gangunter schieden oder Geschwindigkeiten - Google Patents

Description

ERNST LEITZ GMBH

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Unser Zeichen: A 1807 633 Wetalar.den, 1. Juni 1971 Pat St/GG , N*fc*»o/m

Verfahren zur interferentiellen Messung von Längen, Winkeln, Gangunterschieden oder Geschwindigkeiten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferentiellen Messung von Längen, Winkeln, Gangunterschieden oder Geschwindigkeiten mit Hilfe einer Zweistrahlinterferenz-Anordnung.

Bei Zweistrahl-Interferometern, die den Anordnungen nach Michelson, Mach-Zehnder, Sagnac oder Gitterinterferenzanordnungen entsprechen, liefert die mit dem jeweiligen Meßvorgang verbundene Gangunterschieds- bzw. Phasenänderung zwischen den beiden Teilstrahlenbündeln noch keine Information über das Vorzeichen dieser Veränderungen bzw. das Vorzeichen der Änderungsgeschwindigkeit. Durch verschiedene bekannte Verfahren und Geräte kann diese Information zusätzlich gewonnen und meßtechnisch ausgewertet werden. Den Meßverfahren liegt die prinzipielle Erkenntnis zugrunde, daß phasenverschobene, verkettete sinusförmige Signalpaare, wie sie aus den Interferenzerscheinungen abgeleitet werden, ein elektrisches Drehfeld darstellen.

Die Eigenschaften der bekannten Interferometer, die solche Drehfeldsignale liefern, sind aus verschiedenen Gründen je nach Anwendung unbefriedigend. Bei einem Teil der Instrumente stören Lichtanteile, die aus dem Interferometer in die Laser-Lichtquelle zurücklaufen. Bei anderen Geräten ist es nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich, zur Unterteilung der Modulationsperioden eine größere Zahl von optischen Signalen zu erzeugen, die untereinander vorgeschriebene Phasenunterschiede haben. Bei Erzeugung von 90 phasenver-

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schobenen Drehfeldsignalen fehlten einfache Methoden zur gleichzeitigen Gewinnung von optischen Gegentaktsignalen, die die Arbeitspunkte der Signalverstärker stabilisieren. Außerdem war es bisher nicht möglich, ohne einen optisch oder mechanisch aufwendigen Eingriff in zumindest einem der Teilstrahlenbündel die Interferenzphase aller Signale um den gleichen Betrag zu verschieben und dadurch den zu messenden Effekt zu kompensieren oder zusätzlich zu den Meßeffekten Korrekturänderungen in die AusgangsSignaIe einzuführen.

^ Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das auf möglichst viele Interferometertypen angewandt werden kann, um diese den gestellten Meßaufgaben optimal anpassen zu können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur interferentid-len Messung von Längen, Winkeln, Gangunterschieden oder Geschwindigkeiten mit Hilfe einer Zweistrahlinterferenz-Anordnung, in deren Teilstrahlenbündel im stationären Zustand gleiche Lichtfrequenzverteilungen vorhanden sind, dadurch gelöst, daß die beiden kohärenten Teilstrahlenbündel bei ihrer Vereinigung zueinander komplementär polarisierte Schwingungszustände erhalten, daß die Teilstrahlenbündel ψ durch einen ihre Polarisationszustände nicht beeinflussenden Strahlvereiniger in die gleiche Richtung gelenkt werden,

äas
nach Vereinigung der Teilstrahlenbündel entstehende

Strahlenbündel geometrisch oder physikalisch in zwei oder mehr Signalstrahlenbündel polarisations-optisch gleichwertig zerlegt wird und im Falle linear komplementärer Teilstrahlenbündel in den einzelnen Signalstrahlenbündeln der Gangunterschied zwischen den senkrecht zueinander schwingenden Komponenten durch Einfügung polarisationsoptisch, anisotroper Bauelemente unterschiedlich groß gemacht wird, daß jedes Signalstrahlenbündel anschließend

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durch einen linear polarisierenden Analysator zur Interferenz gebracht wird, wobei die Signalstrahlenbündel im Falle der zirkulär komplementären Teilstrahlenbündel entweder reell oder durch vorgeschaltete optisch aktive Substanzen virtuell in der Winkellage unterschiedlich zueinander angeordnet sind, daß mindestens zwei in der Interferenzphase ungleich 180 gegeneinander verschobene optische Gegentaktsignale erzeugt werden, die vorzugsweise mittels fotoelektrischer Empfänger nachgewiesen werden. Dieses Verfahren läßt sich in der Weise erweitern, daß zusätzlich in dem nach Vereinigung der Teilstrahlenbündel entstehenden Strahlenbündel die Phasenlage der beiden komplementär zueinander schwingenden Teilstrahlkomponenten durch Baugruppen, die einen steuerbar variablen Gangunterschied zwischen den beiden Komponenten erzeugen, zu Meß-, Korrektur- oder Modulationszwecken verändert wird. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung erfährt das Verfahren dadurch, daß durch Verwendung eines speziellen Strahlentrenners in der Inferferenzanordnung mehr als zwei kohärente Teilstrahlenbündel erzeugt werden und jeweils zwei in einer Ebene entstehende Teilstrahlenbündel so zusammengeführt werden, daß sie bei ihrer Vereinigung komplementär zueinander schwingende Polarisationszustände erhalten.

Zur Durchführung des Verfahrens werden durch eine der vielen bekannten Strahlteilvorrichtungen, wie neutrale oder polarisierende Teilerspiegel, ein- oder zweidimensionale Beugungsgitter oder doppelbrechende strahlaufspaltende Bauelemente ein oder mehrere Paare zueinander kohärenter Teilstrahlenbündel erzeugt, die an der Wiedervereinigungsstelle komplementär zueinander polarisiert sind. Als Vereinigungsmittel kommen die gleichen Beuelemente in Frage wie für die Strahltrennung, d.h. neutrale oder polarisierende Teilerspiegel, Beugungsgitter oder doppelbrechende Bauelemente. Die nach der Wiedervereinigung räumlich zusammen

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in die gleiche Richtung laufenden Teilstrahlenbündel sind noch nicht miteinander interferenzfähig. Die folgende Darstellung des Verhaltens komplementär polarisierter kohärenter Strahlenpaare wird dadurch vereinfacht, daß als Extremfälle nur entweder senkrecht linear zueinander schwingende vereinigte Komponenten oder links und rechts zirkulär polariserte Komponenten betrachtet werden, Alle Zwischenzustände lassen sich bekanntlich durch das Einfügen eines doppelbrechenden Kompensator» in den Strahlengang wahlweise in den einen oder anderen Extremzustand genau so überführen wie.die beiden Extremfälle selber durch unter k% ψ orientierte τ· -Platten ineinander überfuhrt werden können.

senkrßjciii^ Zunächst sei der Fall der linear^zueinander schwingenden

Komponenten dargestellt. Je nach Gang- oder Phasenunterschied der beiden zusammen laufenden miteinander kohärenten Lichtbündel durchläuft der resultierende Polarisationszustand beider Teilwellen den gesamten Zustandsbereich zwischen linearer Polarisation bei Phasengleichheit und °0 dazu polarisiertem Licht bei Gegenphasigkeit und den Zwischenzuständen rechts- und linksdrehender elliptischer und zirkularer Polarisation. Im Prinzip verhält sich ein solches Interferometer wie eine doppelbrechende Kristallplatte t variabler Dicke, die aus einem optisch einachsigen Kristall mit den M Begrenzungsflächen parallel zur optischen Achse geschnitten und senkrecht zu ihr durchstrahlt wird. Daher

aus,
lassen sich auf die/xTen Teilstrahlenbündeln resultierende Welle alle Meßmethoden der Kristalloptik zur Bestimmung von Gangunterschieden bzw. Gangunterschiedsänderungen an doppelbrechenden Kristallen anwenden. Mit Hilfe eines Kompensators, z.B. nach Soleil-Babinet, oder eines durch elektrische Felder gesteuerten Materials, wie in einer Pockelszelle oder Kerrzelle, können daher hinter der Vereinigungsstelle die Phasenlagen der durch einen linear polarisierenden Analysator zur Interferenz zu bringenden Teilstrahlen noch beliebig

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zur Kompensation oder Korrektur gegeneinander verschoben werden. Trennt man die senkrecht zueinander stehenden, zueinander kohärenten Teilstrahlenbündel entweder direkt nach der Vereinigungsstelle oder nach dem Kompensationsglied mit Hilfe eines Teilers in zwei oder mehrere Teilstrahlen auf, wobei an den Teiler die Bedingung zu stellen ist, daß er die beiden zueinander senkrechten Polarisationskomponenten praktisch im gleichen Verhältnis teilt, so stehen Teilstrahlenpaare zur Verfügung, die in ihrer relativen Phasenlage zueinander durch in den Hauptschwingungsrichtungen angeordnete, zusätzliche polarisationsoptisch anisotrope Bauelemente gegeneinander verschoben werden können. Diese zweite erfindungsgemäße Maßnahme liefert die für die Vorzeichenbestimmung der Änderungsrichtung notwendige Drehfeldinformation.

Zur Erzwingung der Interferenz durchläuft danach jedes Teilsträienpaar einen linear polarisierenden Analysator, der mit seiner Schwingungsriohtung unter 45 asu den beiden senkrecht zueinander schwingenden Teilstrahlkomponenten orientiert ist. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Analysatoren mit zwei senkrecht zueinander liegenden Schwingungsrichtungen im Ausgang. Als solche Analysatoren können polarisierende Teilerspiegel oder doppelbrechende strahlaufspaltende Mittel, wie unter k$ zur optischen Achse geschnittene Kristallplatten, doppelbrechende Kristallplatten, Vollaston-Prismen oder Savart-Platten, dienen. Die Interferenzphasen an den beiden Analysatorausgängen sind bei Absorptionsfreiheit der als Analysatoren wirkenden polarisierenden Teiler aus Energiegründen stets im Gregentakt zueinander moduliert. Hinter einem solchen Analysator über fotoelektrische Wandler gewonnene Signalpaare sind daher durch Differenzverstärker leicht in gleichstromfreie Interferometersignale umformbar. Es läßt sich eine beliebige Zahl von solchen gleichstromfreien Interferometersignalen er-

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zeugen, die der Zahl der aus den beiden wiedervereinigten TeilstrahlenbündeIi durch Strahlenteilung abgeleiteten Signalbündeto. entspricht.

Analoge Verhältnisse liegen bei der Vereinigung von rechts** und links-zirkular polarisierten Strahlungskomponenten vor. Das Verhalten eines solchen Zweistrahlinterferometers entspricht dem Verhalten einer Substanz mit zirkularer Doppelbrechung, deren Dicke veränderlich ist. Ein längs der optischen Achse durchstrahlter Quarzkristall kann als Modell dienen. Je nach dem verwendeten Quarztyp wird die

ψ Schwingungsebene von linear polarisiertem Licht im Sinne einer Rechts- oder Linksschraube gedreht. Die aus den vereinigten zirkulären Komponenten entstehende Schwingungsform ist linear polarisiertes Licht mit umlaufendem Schwingungsazimut. Bs lassen sich hier die Verfahren der Kristalloptik bei zirkularer Doppelbrechung auf den Vereinigungsstrahl anwenden. Mit Hilfe eines Drehungskompensators, der z.B. aus je einem rechts und links drehenden Quarzkristall zusammengesetzt ist oder einer optisch aktiven Lösung besteht, in die ein Glasstab zur Dickenänderung der Lösung eingetaucht wird, läßt sich die Schwingungsebene nachträglich genau so ändern wie mit Hilfe einer Faraday-

^ Zelle, die durch den Strom einer Magnetspule gesteuert werden kann. Trennt man das linear schwingende Vereinigungsbündel direkt nach der Vereinigungsstelle oder nach dem Kompensationsglied mit Hilfe eines den Schwingungszustand nicht verändernden Teilers oder Systems von Teilern geometrisch oder physikalisch in zwei oder mehr gleichartige Signalstrahlen auf, so kann durch Verdrehen der Hau$tschwingungsrichtungen von in den jeweiligen Teilstrahlen angeordneten linearen Schwingungsanalysatoren gegeneinander die Lichtmodulationephase ohne Lichtverlust genau so verändert werden wie bei gleich orientierten Analysatoren durch den Analysatoren vorgeschaltete Schichten optisch aktiver

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Substanzen.

Diese zweite erfindungsgemäße Maßnahme liefert die Drehfeldinforraation. Besonders vorteilhaft ist auch hier die Verwendung von AnaIysatoren mit zwei senkrecht zueinander liegenden Schwingungsrichtungen im Ausgang entsprechend der Darstellung bei der Korabination von senkrecht zueinander polarisierten Linearkomponenten.

In den Figuren 1 bis 10 werden verschiedene, diese Verfahren auswertende Interferometer-Bauformen gezeigt, die zur Messung von LÄngen oder Winkeln oder zur Messung von Gangunterschieden oder Gangunterschiedsänderungen an mikro- oder makroskopischen Objekten geeignet sind.

Fig.1 zeigt ein einfaches Laser-Längeiraeßinterferometer, bei dem vermieden wird, daß störendes Licht in die Lichtquelle zurückkehrt. Die Lichtquelle 111, ein nur im TEM OO-Mode schwingender Laser, erzeugt einen über den gesamten Bündelquerschnitt kohärenten Lichtstrahl, der um 45 gegenüber der Zeichenebene linear polarisiert ist. Im Teilerwürfel 112 trennt die polarisierende Vielfachschicht 113 das einfallende Licht in zwei gleich große, senkrecht zueinander schwingende Komponenten. Der Referenzstrahl trifft durchein ^--Plättchen 114 hindurch auf den Planspiegel 115 auf. Dort wird er in seiner Richtung umgekehrt und läuft zur Teilerfläche 113 zurück. Bei dem zweimaligen Durchgang durch das τ—Plättchen 114, welches mit seiner Hauptschwingungsrichtung um 45 zu der Polarisationsrichtung des Referenzstrahls orientiert ist, dreht sich die Schwingungsrichtung des zurücklaufenden Lichtes um 90°, so daß es vollständig durch die Teilerfläche hindurchtreten kann. Der Meßstrahl durchläuft ein j--Plättchen 1i4a und kehrt nach Reflexion an dem aus Objektiv mit Planspiegel in der Brennebene bestehenden "Katzenaugenreflektor¹¹ 116 Seiten- und höhenverkehrt in sich zurück. Dieser Reflektor, der mit der Meßbewegung ge-

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koppelt ist, sorgt dafür, daß sich Kippbewegungen nicht in Strahlkippungen auswirken. Nur Parallelversatzbewegungen verändern die Lage des zurückkehrenden Strahles. Durch den zweimaligen Durchgang durch das τ--Plättchen 1i4a ist die Schwingungsrichtung des Meßstrahles ebenfalls um 90 gedreht worden, so daß der Meßstrahl nach vollständiger Reflexion an der Teilerfläche 113» mit dem Referenzstrahl parallel laufend, wieder vereinigt wird. Durch Schrägstellen aller Störreflexe erzeugender Flächen gegenüber den Laserstrahlen kann dafür gesorgt werden, daß keine die Laserfunktionen störenden Lichtintensitäten in den Laser zurücklaufen. Außerdem gewinnt man mit der Anordnung nach

" der Fig.1 die Längenmeßinformation aus dem vollständigen Lichtfluß des Lasers. Zur Vorbereitung der Gewinnung von Drehfeldsignalen wird das wiedervereinigte Strahlenbündel geometrisch in zwei nebeneinander liegende Signalstrahlenbündel zerlegt. Um das Licht in kleinen Brennflecken zu vereinigen, ist eine aus zwei Halblinsen 117 und 117a zusammengesetzte Teilerlinse symmetrisch zum Strahlenbündelquer schnitt angebracht. In dem einen Signalstrahlenbündel verzögert eine mit ihren Hauptschwingungsrichtungen parallel zu den Schwingungskomponenten des Strahlenbündels orientierte j--Platte 118 die interferierenden Strahlenbündel zusätzlich um 90 in der Phase. Als gemeinsamer Analysator mit jeweils

^ zwei Ausgängen dient das Wollaston-Prisma 119» welches mit seinen Hauptschwingungsrichtungen unter k5 zu den Schwingungskomponenten der interferierenden Strahlenbündel orientiert ist. Die Fotodioden 120, 121 erhalten im Gegentakt zueinander moduliertes Licht, dessen Modulationsphase insgesamt um 90 gegenüber der Modulation auf den dem zweiten Signalstrahlenbündel zugeordneten Fotodioden 122 und 123 in der Phase verschoben ist. Die Differenzverstärker Λ2Η und 125 geben ein gleichstromfreies DrehfeiSlpSär ab, dessen Drehfeld pro :r-Reflektorverschiebung eine Signalperiode durchläuft. Diese Signalperioden können nach be-

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kannten Verfahren in Signalperiodenbruchteile zerlegt und die vollen Signalperioden gezählt werden. Ua die Empfindlichkeit gegen Luftschlieren zu verhindern, kann in der Anordnung der Fig.1 der Strahlverztigerer 118 für die 90°-Phasenverschiebung auch als Kreisringplättohen ausgebildet werden, dea die geometrischen Strahlenbünde1-trennelemente entsprechend angepaßt sind.

Fig.2 zeigt eine zweite AusfUhrungsform eines Laser-Längenmeßinterferometers, welches pro jr-Verschiebung des Reflektors 216 eine volle Periode eines Drehfeldsignals liefert. Das Licht des Lasers 211 ist linear polarisiert und zur Zeichenebene ait der Schwingungsrichtung unter U 5 orientiert. Die Teilerschicht 213 i" polarisierenden Teiler 212 χ trennt und vereinigt die Meß- und Referencetrahlen, die an dea ί Spiegel 215 bxw. 215a in sich selber umgekehrt werden. Dadurch ist der kippungsuneapfindliche Reflektor 216 auch uneapfindlich gegenüber Parallelversat«bewegu*geu. Der gesaate Strahlungsfluß des Lasers findet sich nach der Strahlvereinigung in dea senkrecht sueinander sohwingeaden Komponenten aus Referenz- und MeßstrahlenbUndeln, da durch die T--Platten 21 k und 21 km. die Polarisationsrichtungen des zurückkehrenden Referenz- bzw. Meßstrahlenbündels in Durchlaß- bzw. Reflexionerichtung zu der pelarisierenden Teilerfläche 213 gebracht worden sind. Durch die Linse 217 werden vier Brennflecke erzeugt, indem zuerst durch ein Phasengitter 217a mit Balken-Aücken-Verhaltnie 1:1 und ~-Phasenverz'dgerung das wiedervereinigte Strahlenbündel in zwei gleiche Signalstrahlenbündel, die den -1.Beugungsordnungen des Phasengitters entsprechen, zerlegt wird. Jedes der Signaletrahlenbündel trifft auf ein ^-Plättchen 218, 218a, die beide in den Hauptschwingungsrichtungen der Meß- und Referenzetrahlenkomponenten orientiert sind. Dabei ist das eine in Additionsstellung und das andere in Subtraktionsstellung, so daß der resultierende Phaeenunterschied zwischen

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den beiden Signaletrah.lenbun.deIn wiederum r- beträgt. Nach Durchlaufen der ^--Plättchen 218 und 218a spalten die unter k5 zur optischen Achse geschnittenen und ext den Hauptschwingungsriohtungen unter 45° zu den Hauptschwingungsrichtungen der Signalstrahlenbündel orientierten doppel brechenden Platten 219 und 219a die SignaIetrahlenbündel in gegentaktmodulierte Brennpunktbilder auf , die von den Empfängern 220, 221, 222, 223 als Gegentaktsignale den Verstärkern 224 und 225 zugeführt werden.

In Fig.3 ist ein zu einer einzigen festen Baugruppe ver- || einigtes Laser-Längenmeßinterferometer gezeigt. Aus der Laser-Beleuchtungseinrichtung 311 tritt linear polarisiertes Licht aus, welches in der Zeichenebene schwingt. Sine auf der Xintrittsflache des Interfarenzprismas 312 angeordnete r—Platte 311a beleuchtet die polarisierende Teilerschicht 313 «it zirkulär polarisiertes! Licht. Als Reflektor wird hier ein Tripelprisma 316 verwendet, dessen sechs Totalreflexionen bei Min- und RUekweg duroh die Wahl Ton Prismenbrechzahl und aufgebraaaten dielektrischen Schichten durch den Phasensprung dafür sorgen, daB bei der Totalreflexion das Prisma insgesasit als ^—Platte wirkt und damit die Sohwingungsriehtung des zurücklaufenden Lichte· umkehrt. Der Vergleichsstrahl wird an einest aufgekitter ten Planspiegel 315 reflektiert. Die wiedervereinigten Meß- und Vergleichsβtrahlenbündel werden, noch senkrecht zueinander schwingend, an der polarisationsneutralen Teilerfläche 317 in zwei Signalstrahlenbündel zerlegt. Bei der totalreflektierenden Umlenkung an der Fläche 31 β wird zwischen den parallel und senkrecht schwingenden Komponenten durch geeignete Ausbildung der Totalreflexion durch ¥ahl von Brechzahl und aufgedampften dielektrischen Schichten oder zusätzliches Aufkitten einer doppelbrechenden Lamelle der Phasenwinkel zusätzlich um 90° verschoben. Eine kleine Vinkelabweichung in den Reflexionswinkeln sorgt dafür, daß

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zwischen den beiden Signalstrahlen eine geringe Winkeldivergenz α übrigbleibt. Diese hat zur Folge, daß zwei nebeneinanderliegende Lichtquellenbilder durch eine Linse 317a erzeugt werden. Ein Kalkspatspaltstück 319 dient als Analysator für die beiden Signalstrahlenbündel und erzeugt damit vier Gegentaktsignale, die von den Verstärkern 324 und 325 aus den Strumen fotoelektrischer Empfänger 320-323 gewonnen werden. Je jr—Reflektorverschiebung wird eine Drehfeldperiode durchlaufen.

In der Fig.4 wird die Anwendung des Verfahrens auf ein vereinfacht dargestelltes Mach-Zehnder-Mikrjnointerferometer gezeigt. Ein von einer nicht dargestellten Lichtquelle herkommendes Lichtstrahlenbündel wird an dem Polarisationsteiler 413 in zwei zueinander senkrecht schwingende kohärente Teilstrahlenbündel zerlegt. Je nach den Erfordernissen, die durch die Mikroobjekte gegeben sind, durchlaufen die senkrecht zueinander polarisierten Teilstrahlenbündel die Mikr ο objektivpaare 43Ο und 4-31 1 oder es werden die beiden Teilstrahlenbündel durch nicht dargestellte ^--Plättchen vor den Mikroobjektiven 430, 431 in links und rechts zirkuläre Wellen verwandelt, die nach dem Durchlaufen durch die M±x Mikroobjektive durch ein zweites, nicht dargestelltes Paar von -τ-Plättchen wiederum in linear polarisierte Strahlenbündel verwandelt werden, welche senkrecht zu den dargestellten Polarisationsrichtungen schwingen. Die Strahlenvereinigung wird an der polarisierenden Teilerschicht 4i3a vorgenommen. Die Tubuslinse 432 bildet die Objekt- bzw. die Vergleichsebene in die Bildebenen der Oku1are 433 bzw. 434 ab. Die polarisationsneutrale Teilerschicht 417 verteilt das Licht auf zwei Signalstrahlenbündel, in welchen die Analysator en 419 und 419a angeordnet sind.

Um die den Okularen 434 und 433 dargebotenen Bilder entweder für fotoelektrische Auewertung oder für Halbschattenmethoden

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in der Interferenzphase zu verschieben und damit auch die Vorzeichenbedeutung von Interferenzstreifenauslenkungen sichtbar zu machen, ist eine doppelbrechende phasenschiebende Platte 418 in dem einen der beiden Signalstrahlenbündel angeordnet. In die Bildebene des Okulars kjk im wiedervereinigten Strahlenbündel kann ein mechanischoptisch oder elektrisch-optisch wirkender Kompensator eingesetzt werden, um Gangunterschiedsmessungen zwischen verschiedenen Objektteilen durchzuführen. Zur fotoelektrischinterferenz-mikroskopischen Signalauswertung werden die Analysatoren 419» 4i9a ähnlich wie in den vorhergehenden Beispielen als Analysatoren mit zwei Ausgängen ausgebildet. Zur Verschärfung von visuellen Meßvorgängen können die Analysatoren 419 und 4i9a als Polienanalysatoren auch in den Zwischenbildebenen der Okulare 434, 433 als jeweils senkrecht zueinander orientierte Polienhälften mit Trennkante in der Bildmitte ausgeführt werden. Ein Halbschattenabgleich bei Interferenzkontrast liefert einen empfindlichen Phasenindikator.

In Fig.5 wird an einem weiteren Mach-Zahnder-Aufbau gezeigt, daß durch Ausnutzung der Vereinigung zweier Teilstrahlenbünde lpaare und anschließende Auftrennung jedes Vereinigungsteilstrahlenbündelpaares in mehrere Signalstrahlen, die nach " gegenseitiger Phasenverschiebung analysiert werden, sich ein vielkomponentiges fotoelektrisches Drehfeld erzeugen läßt, welches zur Verschärfung der DrehfeIdsigna!phasenmessung dienen kann, indem man feststellt, welches der Signalpaare jeweils am nächsten zum Nulldurchgang der gleichstromfreien Vechselstromsignale liegt.

Der Teiler'513 erzeugt als polarisierender Teiler zueinander kohärente, senkrecht zueinander schwingende Meß- und Vergleichsstrahlenbündel. Nach Durchlaufen der Objekt- und' Vergleichsräume, die das Objekt 530 und den !Compensations-

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keil 531 enthalten, werden die Strahlenbündel an xm dem polarisatiansneutralen Teiler 513a wieder vereinigt. Dadurch entstehen zwei Vereinigungsstrahlenbündel, die den als Teiler wirkenden Phasengittern 517» 517a mit gleichen Beugungsintensitäten für die O. und -1.Beugung«Ordnung zugeführt werden. Die sechs SignalstrahlenbündelA durchlaufen sechs verschieden dicke doppelbrechende Platten 518a^— 51 Si's die den Meß- und Vergleichsstrahlenbündelpaaren unterschiedliche Phasenverzögerung aufprägen. Den phasenschiebenden Platten 518a - 518f sind als Analysatoren um 45 gegenüber der Zeichenebene orientierte Polarisationsteiler 519a - 519f nachgeordnet. Aus jedem der polarisierenden Teiler wird ein nicht mitdargestellter Gegentaktverstärker über zwei Fotodioden 520-531 gespeist. Die zwölf phasenverschobenen Nulldurchgänge der sechs Signale können im Gangunterschied um^ unterschiedliche Objektzustände digital meßbar machen.

In Fig.6 ist ein Abtaster für ein lineares oder radiales Phasengitter gezeigt, welcher die Gitterbewegung in Drehfeldsignale umformt. Je Teilungsperiode entstehen zwei volle Drehfeldumläufe des Signals, falls die -1.Beugungsordnung des mit -r Phasenverschiebung und Balken-/Lücken-Verhältnis 1:1 aufgebauten Phasengitters 613 zur Interferenz gebracht wird. Das mit linear polarisiertem Licht beleuchtete Phasengitter 613 zerlegt dieses vorzugsweise in die -1.Beugungsordnung. Die Beugungsordnungen sind zueinander kohärent und in der Phase durch die Relativlage von Gitter und Beleuchtungsstrahlenbündel bestimmt. In bewegtem Zustand sind die beiden Teilstrahlenbündel durch den Dopplereffekt in den Lichtfrequenzen um +Δν bzw. -UU gegenüber der Frequenz des einfallenden Lichtes verschoben. Mit Hilfe des giit Umlenkspiegels 615 und des polarisierenden Strahlenvereinigers 613a wird das Licht aus der +1. und der -1. Beugungsordnung in die gleiche Richtung gebracht. Um den

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Durchtritt des Lichtes aus der -1.Beugungsordnung durch den polarisierenden Strahlenvereiniger zu ermöglichen, dreht die ^-Platte 650 die Schwingungsrichtung des Lichtes um 90°. Die Teilung in Signalstrahlenbündel, Phasenverschiebung in den Signalstrahlenbündeln und die Analyse durch polarisierende Teiler erfolgt wie bei den vorherbeschriebenen Fällen mittels der Baugruppen 617-623. Unter Einsparung des Neutralteilers 617 hätte man auch den Strahlenvereiniger 613a als Neutralteiler ausbilden können. Die dann entstehenden beiden vereinigten Strahlenbündel hätten wiederum zur Gewinnung eines Drehfeldsignals nach Phasenverschiebung aus- ^ genttzt werden können.

Die Fig.7 zeigt die Anwendung des Verfahrens auf eine bereits bekannte Anordnung. Die Lichtquelle 711* z.B. eine Galliumareenid-Elektrolumineszenzdiode, beleuchtet das Beugungsgitter 713, welches mit dem Prüfling 747, dessen Verschiebung genessen werden soll, fest verbunden ist. Ein WoHaston-Prisma 713a erzeugt zwei parallele, senkrecht zueinander polarisierte Teilstrahlenbündel, die aus der +1. und -1. Beugungsordnung dee Meßgitters 713 stammen. Ββκ Die ebenfalls entstehenden nicht parallelen Teilstrahlenbündel des Wollaston-Prismas werden ungenutzt vernichtet. Ein nachge- ^ schalteter Kompensator, der aus zwei gleichorientierten doppelbrechenden Kristallkeilen 734 besteht, erlaubt die Phasenverschiebung zwischen dem aus der -1.BeugungsOrdnung stammenden Lichtbündel und dadurch die Einführung von Korrekturwerten in die Längenmessung. Ein nachfolgender Neutralteiler 717 führt das Licht den beiden Analysatoren 719 und 719a zu, die um 45 gegenüber der Zeichenebene mit ihren Hauptschwingungarichtungen verdreht angeordnet sind. Die τ—Platte 718 erzeugt die für das Drehfeld nötige 90°-Phaeenverschiebung zwischen den beiden Gegentakteignalpaaren, die auf den Empfängern 720, 721, 722 und 723 entstehen. Die Linsen 726-729 vereinigen die noch getrennten Bündel zur Interferenz auf den Empfängeroberflächen.

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In Fig.8 wird als Meßglied zur I Umformung linearer Bewegungen in optische Signale das Wollaston-Prisma 813 verwendet. Wie in Fig.6 werden von einer Quelle 811 zwei zueinander kohärente, vor dem polarisierenden Teiler 813a zueinander senkrecht schwingende Teilstrahlenbündel erzeugt, die mit Hilfe des Spiegels 815 in die gleiche Strahlrichtung nach der Wiedervereinigung ixu einjustiert werden. Als Kompensator oder Modulator ist die Pockels-Zelle 83U zur Phasenverschiebung zwischen den Komponenten des wiedervereinigten Strahlenbündels vorgesehen. Durch Veränderung der Spannung acmxat an den Elektroden des elektro-optischen Kristalls 83Ί» z.B. Kupferchlorid, kann der Drehfeldwinkel des Ausgangssignal8 bei stillstehendem Wollaston-Prisma hochfrequent moduliert werden. Dadurch läßt sich z.B. die SignaLgleichheit von. Sinus- und Cosinus-Signal mit hoher Präzision festlegen, indem das Differenzsignal von Sinus und Cosinus phasenempfindlich gegenüber der Moäulationsspannung gleichgerichtet wird. Bei linearem Zusammenhang zwischen angelegter Spannung und der Phasenänderung zwischen den beiden Polarisationskomponenten in der Pockels-fflLle 83^ ist es auch möglich, die Spannung der Pockels-Zelle dadurch als Maß für Signalperiodenbruchteile zu verwenden, daß in einem geschlossenen Regelkreis die Differenz von Sinus- zu Cosinus-Signal mit einer hohen Schleifenverstärkung der Pockels-Zelle so zugeführt wird, daß sich das gesamte System auf kleinste Signaldifferenzen zwischen Sinus- und Cosinus-Signal abgleicht. Die Weiterverarbeitung der Signale zwecks Erzeugung eines elektrischen Drehfeldes erfolgt in bereits beschriebener Weise mittels der Baugruppen 817-825·

In dem Interferometer nach dem Sagnac-Typ in der Fig.9 beleuchtet ein nicht dargestellter Laser 911 den polarisierenden Teilerspiegel 913 "it zirkulärem oder unter k$ zur Zeichenebene linear polarisiertem Licht. Es werden zwei senkrecht zueinander schwingende und rechts bzw. links

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umlaufende Teilstrahlenbündel erzeugt, die nach Umlauf über Reflektoren 915» 915a verlustfrei wieder aus dem Interferometer austreten, da das zuerst durchgelesene Strahlenbündel auch nach dem Umlauf wieder durchgelassen wird, während das zuerst reflektierte Strahlenbündel nach dem Umlauf auch wieder reflektiert wird. Ein neutraler Teiler 917 zerlegt .das Paar der wiedervereinigten Strahlenbündel in zwei Signalstrahlenbündel. Die als Analysatoren wirkenden Vollaston-Prismen 919 und 919a verwandeln das Licht aus diesen Strahlenbündeln in GegentaktsignaIe auf den Empfängern 92O-9231 nachdem die zur Drehfelderzeugung um jr phasenverschiebende Platte 918 von dem einen Signalstrahlenbündel durchlaufen wurde. Zur Anpassung an die Meßaufgabe können in den umlaufenden Teilstrahlenbündeln in bekannter Weise Linsen, Lochblenden usw. angeordnet werden, um links und rechts umlaufende Strahlen als Meßvergleichsstrahlen am Objektort auf unterschiedliche Strahlenbünde!querschnitte zu verteilen.

Fig.10 zeigt eine Meßvorrichtung zur gleichzeitigen Längenmessung nach zwei Koordinatenrichtungen. Eine monochromatische, zirkuläres Licht auf das Schachbrett-Kreuzgitter IOI3 einstrahlende Laser-Lichtquelle 1011 ist genau so wie das mit dem Gitter verbundene Meßobjekt nicht mehr mit dargestellt. Wenn das Gitter ein .Schachbrett-Phasengitter mit —-Verzögerung ist, gelangen jeweils 16% der eingestrahlten Intensität in die vier zueinander kohärenten Teilbündel der 1.Beugungsordnungen. Analog zur Anordnung in Fig.6 werden jeweils mit diagonaler Projektion abgestrahlte Teilbündel paarweise vereinigt. Die zirkulären Teilbündel verlassen die polarisatinnsneutralen Teilerwürfel 1017, 101?a als vier komplementäre Signalpaare mit resultierender linearer Schwingungsrichtung. Durch doppelbrechende Rückflächenspiegel 1050, 1050a ist dafür gesorgt, daß die Teilstrahlkomponenten bei der Vereinigung miteinander komplementär werden. Die

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polarisierenden Teilerwürfel 1019, 1019a, 1019b und 1019c sind in ihren Schwingungsazimuten jeweils paarweise um ^5 gegeneinander verdreht, so daß die Gegentaktsignale von Empfängern 1020a, 1021a und 1022a, 1023a sowie 1020b, 1021b und 1022b, 1023b jeweils um 90° in der Modulationsphase unterschiedlich sind. Nicht dargestellte, den fotoelektrischen Empfängern nachgeordnete Gegentaktverstärker liefern nach Verschiebekoordinaten χ und y getrennte gleichetromfreie Drehfeldsignale. Bei einer Bewegung nur nach der x-Koordinate sprechen die mit b gezeichneten fotoelektrischen Empfänger an, bei einer Bewegung nur nach der y-Koordinate werden dagegen nur die anderen vier fotoelektrischen Empfänger erregt.

Beim in Fig.11 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein parallel zur Strahleintrittsfläche gelegtes Vollaston-Prisma 1113 fest mit dem Prüfling 1147 verbunden, dessen Linearbewegung gemessen werden soll. Das Vollaston-Prisma 1113 wird mit Licht eines Lasers 1111 beleuchtet, so daß die Aufspaltung des Lichtes an der Keilfläche des Prismas komplementäre, zueinander kohärente linear polarisierte Teilstrahlen erzeugt. Über dem Wollaston-Prisma ist eine r—Platte 1114 unter k$ mm zu den Hauptechwingungsrichtungen orientiert angeordnet, so daß rechts- und linkszirkular polarisierte Teilstrahlen entstehen. Mit Hilfe eines Spiegels 1115 und eines polarisationsneutralen Teilers 1117 werden die Teilstrahlen in zwei vereinigte Teilstrahlenpaare umgelenkt. Jeder der beiden Vereinigungsstrahlen ist durch einen linear polarisierten, mit der Bewegung des Vollaston-Prismas umlaufenden Vektor darstellbar. Die beiden Polar/isationsteiler 1119 und 1119a sind in ihren Schwingungaazivuten um ^5 gegeneinander verdreht, so daß an den fotoelektrischen Empfängern 1120, 1121 und 1122, 1123 zwei um 90° gegeneinander phasenverschobene Gegentaktsignalpaare erzeugt werden, die dann,in beschriebener Weise weiterverarbeitet werden.

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Claims (3)

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1.6.1971 Patentabteilung

Ansprüche

Verfahren zur interferentiellen Messung von Längen-, Winkeln, Gangunterschieden und Geschwindigkeiten mit Hilfe einer Zweistrahlinterferenzanordnung, in deren Teilstrahlenbündeln im stationären Zustand gleiche Lichtfrequenzverteilungen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die beiden kohärenten Teilstrahlenbündel bei ihrer Vereinigung zueinander komplementär polarisierte Schwingungszustände erhalten,

b) die Teilstrahlenbündel durch einen ihre Polarisationszustände nicht beeinflussenden Strahlvereiniger in die gleiche Richtung gelenkt werden,

c) das nach Vereinigung der Teilstrahlenbündel entstehende Strahlenbündel geometrisch oder physikalisch in zwei oder mehr Signalstrahlenbündel polarisationsoptisch gleichwertig zerlegt wird und im Fall linear komplementärer Teilstrahlenbündel in den einzelnen Signalstrahlenbündeln der Gangunterschied zwischen den senkrecht zueinander schwingenden Komponenten durch Einfügung polarisationsoptisch anisotroper Bauelemente unterschiedlich groß gemacht wird,

d) jedes Signalstrahlenbündel anschließend durch einen linear polarisierenden Analysator zur Interferenz gebracht wird, die im Fall der zirkulär komplementären Teilstrahlenbündel entweder reell oder durch vorgeschaltete optisch aktive Substanzen virtuell in der Winkellage unterschiedlich zueinander angeordnet sind,

e) mindestens zwei in der Interferenzphaee ungleich 180 gegeneinander verschobene optische Gegentaktsignale erzeugt werden, die vorzugsweise mittels fotoelektrischer Empfänger nachgewiesen werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in dem nach Vereinigung der Teilstrahlenbündel entstehenden Strahlenbündel die Phasenlage der beiden komplementär zueinander schwingenden Teilstrahlkomponenten durch Baugruppen, die einen steuerbar variablen Gangunterschied zwischen den beiden Komponenten erzeugen, zu Meß-, Korrektur- oder Modülationszwecken verändert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung eines speziellen Strahlentrenners in der Interferenzanordnung mehr als zwei kohärente Teilstrahlenbündel erzeugt werden und jeweils zwei in einer Ebene entstehende Teilstrahlenbündel so zusammengeführt werden, daß sie bei ihrer Vereinigung komplementär zueinander schwingende Polarisationszustände erhalten.

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