DE3300369C2

DE3300369C2 -

Info

Publication number: DE3300369C2
Application number: DE3300369A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. Ddr 6327 Ilmenau Dd Buechner
Original assignee: VEB FEINMESSZEUGFABRIK SUHL DDR 6000 SUHL DD
Current assignee: FEINMESSZEUGFABRIK SUHL GMBH, O-6000 SUHL, DE
Priority date: 1982-04-05
Filing date: 1983-01-07
Publication date: 1987-06-19
Also published as: FR2524633B1; DE3300369A1; FR2524633A1; GB2117918A; GB2117918B; US4571083A; JPH0379642B2; GB8308044D0; JPS58200137A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Meßvorrichtungen bekannt, wie z. B. aus DE-OS 16 23 277, "Interferometer, insbesondere zur Längenmessung" oder aus DE-OS 16 73 843, "Verfahren zur interferometrischen Messung von zwei Längen mit monochromatischen Lichtbündeln" oder auch aus DE-OS 17 73 541, "Vorrichtung zum Messen der Änderung einer optischen Weglänge mit Hilfe eines Interferometers".

Den hier genannten Interferometern ist gemeinsam, daß sich an irgendeiner Stelle im interferometrischen Strahlengang eine Teilerschicht befindet, die den ankommenden Lichtstrahl 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 Nachteil 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 interferometrische Meßergebnis eingestreut werden, da man bei Gangunterschiedsänderungen am Interferometerausgang nie feststellen kann, ob sie im Meß- oder Referenzstrahlengang verursacht wurden.

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 Fall, 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 ander Meßobjekte direkt mit der stehenden Welle optisch-berührungslos und punktförmig anzutasten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer mit kleinsten räumlichen Abmessungen und einfachem optischen Aufbau zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Es wird zwischen einer monochromatischen Lichtquelle und einem Meßspiegel eine stehende Welle erzeugt. Zwischen der monochromatischen Lichtquelle und dem Meßspiegel befindet sich ein Abtastetalon. Dieser Abtastetalon besteht aus zwei ebenen parallelen Flächen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der stehenden Welle orientiert sind. Der Abstand dieser Flächen beträgt k · λ/8, wobei k eine beliebige ungerade Zahl und λ die Wellenlänge der monochromatischen Strahlung ist. Die Flächen des Abtastetalons sind mit optisch-teildurchlässigen 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 durch die Anwendung des automatischen Vor- Rückwärts-Zählverfahrens gestatten.

Es ist möglich, das Interferometer aufgrund eines einfachen optischen Aufbaus und seiner geringen Abmessungen auch an bisher für die Interferometer nicht zugänglichen Meßobjekte 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 bekannten Interferometern durch den Referenzstrahlengang in das Meßergebnis eingestreut werden.

Es ist bekannt, daß beim Auftreten eines Lichtstrahls auf eine reflektierende Fläche ein Phasensprung von 180°C stattfindet. Beträgt der Auftreffwinkel 90°, dann interferieren zwei sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitende Lichtstrahlen miteinander, und es kommt zur Ausbildung einer stehenden Welle. Die Knoten der stehenden Welle liegen in Abständen von n · g/2 vor der Spiegelfläche, wobei n alle ganzen Zahlen sind und die Maxima haben Abstände von k · λ/4 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 Maxima der stehenden Welle durchsetzt, und es wiederholt sich derselbe Vorgang, wenn die Ebene feststeht 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 zwischen beiden Ebenen k · λ/8 beträgt und bewegt den Spiegel parallel zu sich, dann werden die beiden Ebenen nacheinander von den Knoten und den 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 beiden Ebenen parallel zu sich und im konstanten Abstand zueinander in Richtung der stehenden Welle bewegt werden. Bei einer Stellung des Spiegels senkrecht zur einfallenden Welle ist die Intensitätsverteilung in den Ebenen, die durch die Flächen des Abtastetalons gebildet werden, konstant.

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 Null, 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 α des Spiegels an, für den der Ordnungsabstand in der Ebene der Empfängerfläche gleich dem Durchmesser des Empfängers ist.

Unter diesen Bedingungen kann bei einem Meßobjekt mit gut 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 zeigt

Fig. 1 Abtastetalon als Glasplatte

Fig. 2 Abtastetalon als Luftplatte

Fig. 3 und 4 Gesamtaufbau des Stehende-Wellen-Interferometers

In Fig. 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, 13 begrenzt, die zueinander parallel sind und den gegenseitigen Abstand von k · λ/8 haben. Die Flächen 12, 13 sind mit optisch-teildurchlässigen, fotoelektrisch-aktiven Schichten versehen, die elektrische Ausgangssignale erzeugen, die der jeweiligen Stellung der Fläche 12, 13 in der stehenden Welle 1 entsprechen. In Fig. 1 wird demnach die Amplitude des elektrischen Ausgangssignals, das von der Fläche 12 erzeugt wird, Null sein, während die auf der Fläche 13 befindliche Schicht eine mittlere 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 Vor-Rückwärts-Zählverfahren gestattet. Bei Anwendung der Impulsvierfachauswertung entspricht einem Zählschritt die Wegänderung λ/8.

In Fig. 2 ist der Abtastetalon 2 in einer anderen Ausführungsform in der stehenden Welle 1 dargestellt. Er 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, in diesem Falle als Luftplatte. Der Abstand der Flächen 12, 13 beträgt wieder k · λ/8 und wird hier durch das Distanzstück 2.6 erzeugt. Das Distanzstück 2.6 wird vorzugsweise aus einem Material mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Invar, hergestellt. Durch diesen Aufbau des Abtastetalons 2 ist es möglich, den Abstand zwischen 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 Fig. 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 λ/4-Platte 10 aus optisch-doppelbrechendem Material. Diese g/4-Platte 10 erzeugt aus dem ankommenden linear polarisierten Licht zirkular polarisiertes Licht, das vom Meßspiegel 3 reflektiert wird und ein zweites Mal durch die λ/4-Platte 10 hindurchläuft. Das in Richtung Lichtquelle 9 aus der λ/4-Platte 10 austretende 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.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Stehende-Wellen- Interferometers. Die monochromatische Strahlung läuft durch ein Tripelprisma 11, das unsymmetrisch 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 Verschiebestrecke zweimal, so daß bei der Anwendung der Impulsvierfachauswertung einem Weginkrement die Verschiebestrecke λ/16 zugeordnet ist. Die λ/4-Platte 10 verhindert Rückkopplungseffekte zwischen der stehenden Welle 1 und der Lichtquelle 9.

Claims

1. Stehende-Wellen-Interferometer zur Messung von optischen Gangunterschieden, mit einer monochromatischen Lichtquelle sowie mit optisch-doppelbrechenden und mit reflektierenden Bauelementen, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der monochromatischen Lichtquelle (9) und einem Meßspiegel (3) eine stehende Welle (1) vorhanden ist, daß 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,
daß der gegenseitige Abstand der Flächen (12, 13) des Abtastetalons (2) konstant ist und k · λ/8 beträgt, wobei k eine beliebige ungerade Zahl und λ die Wellenlänge der monochromatischen Strahlung ist, und
daß die Flächen (12, 13) des Abtastetalons (2) mit optisch- teildurchlässigen, fotoelektrisch-aktiven Schichten versehen sind.

2. Stehende-Wellen-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastetalon (2) als Glasplatte ausgebildet ist.

3. Stehende Wellen-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtastetalon (2) als Luftplatte ausgebildet ist und aus zwei Keilpaaren (2.4, 2.5; 2.7, 2.8) besteht und der Abstand zwischen den mit den optisch-teildurchlässigen, fotoelektrisch- aktiven Schichten versehenen Flächen (12, 13) durch ein Material mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten, insbesondere Invar, eingestellt ist.

4. Stehende-Wellen-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der monochromatischen Lichtquelle (9) und dem Abtastetalon (2) eine λ/4-Platte (10) aus optisch-doppelbrechendem Material angeordnet ist.

5. Stehende-Wellen-Interferometer zur Messung von optischen Gangunterschieden, mit einer monochromatischen Lichtquelle sowie mit optisch- doppelbrechenden und mit reflektierenden Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der monochromatischen Lichtquelle (9) und einem Spiegel (14) eine stehende Welle vorhanden ist, daß im Strahlengang der stehenden Welle (1) ein als Tripelprisma (11) ausgebildeter Meßspiegel angeordnet ist und daß ferner in dieser stehenden Welle (1) zwischen der monochromatischen Lichtquelle (9) und dem Tripelprisma (11) 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, daß der gegenseitige Abstand der Flächen (12, 13) des Abtastetalons (2) konstant ist und k · λ/8 beträgt, wobei k eine beliebige ungerade Zahl und λ die Wellenlänge der monochromatischen Strahlung ist und daß die Flächen (12, 13) des Abtastetalons (2) mit optisch-teildurchlässigen, fotoelektrisch-aktiven Schichten versehen sind.