DE1497539C3 - - Google Patents
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Description
aus einer -j- A-Platte (48) (n — ungerade) in der
Diagonallage bestehen.
3. Optisches Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den
linearen Analysator (10 bzw. 46) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehender Antrieb und
die Phase der sinusförmig in der Zeit veränderlichen Intensität des Interferenzmusters detektierende
photoelektrische Hilfsmittel (32, 33) vorgesehen sind.
4. Optisches Interferometer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel, durch welche die
Phase der Intensität des Interferenzmusters mit der Phase der Drehbewegung des Analysators
(10 bzw. 46) verglichen wird.
5. Optisches Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen
Hilfsmittel zwei getrennte Detektoren (32, 33 bzw. 60, 61) zum Vergleich der Phasen
der Interferenzmuster zweier getrennter Felder des Objektes (4 bzw. 45) umfassen.
Die Erfindung betrifft ein optisches Interferometer mit einer Lichtquelle, mit einer Einrichtung zur Aufspaltung
des von der Lichtquelle ausgehenden Strahlungsbündels in zwei räumlich getrennte Teilstrahlenbündel,
mit Einrichtungen zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel, mit Einrichtungen zur
Überlagerung der beiden Teilstrahlenbündel nach Durchgang oder Reflexion mindestens eines der beiden
Teilstrahlenbündel durch bzw. an einem zu prüfenden Objekt und mit einem linearen Analysator
im Wege der beiden überlagerten Teilstrahlenbündel.
Ein derartiges Interferometer ist bekannt aus der Fig. 4 der GB-PS 6 39 014, und zwar bei einem
Mikroskop.
Ist der optische Wegunterschied zwischen den Teilbündeln gleich Null oder gleich einer geraden
Zahl halber Wellenlängen, so tritt eine Verstärkung der beiden Bündel auf. Ist der Wegunterschied gleich
einer ungeraden Zahl halber Wellenlängen, so tritt eine Löschung auf. Wird der Meßgegenstand in
Richtung des auftreffenden Bündels verschoben, so läßt sich aus der Zahl der Intensitätsänderung in
der Bildfläche die Verschiebung bei bekannter WeI-lenlänge der Strahlung berechnen.
Hat der Meßgegenstand eine gewisse Tiefe, d. h., fällt die Wellenfront des Teilbündels nicht mit der
reflektierenden Oberfläche des Meßgegenstandes zusammen, so ist die Strahlungsintensität in der BiIdfläche
nicht konstant. Die von den verschiedenen Teilen des Meßgegenstandes reflektierten Teilbündel
haben nämlich einen gegenseitigen Weglängenunterschied. Auf diese Weise läßt sich die Tiefe des Meßgegenstandes
bestimmen.
In der Praxis trifft das betreffende Teilbündel nicht senkrecht auf den reflektierenden Meßgegenstand,
sondern die quer zur Fortpflanzungsrichtung des Teilbündels liegende Ebene bildet einen kleinen
Winkel mit der reflektierenden Gegenstandsfläche.
Dies hat zur Folge, daß in der Bildfläche parallele Streifen minimaler bzw. maximaler Strahlungsintensität
entstehen. Weist der Meßgegenstand eine plötzliche Stärkeänderung auf, so stellt die Abbildung
dieser Änderung eine Bruchlinie dar; die Streifen auf einer Seite dieser Linie sind gegenüber den entsprechenden
Streifen auf der anderen Seite verschoben. Die Größe der Verschiebung ist wieder ein Maß
für die Stärkeänderung.
In dem Interferenzmikroskop nach der GB-PS 6 39 014 passiert die von einer Strahlenquelle herrührende
Strahlung zunächst einen Polarisator, der das Bündel in linear polarisiertes Licht umsetzt.
Nach Reflexion an einem halbdurchlässigen Teilspiegel, der unter einem Winkel von 45° getroffen wird,
fällt das linear polarisierte Bündel auf den Gegenstand, der das Bündel gleichfalls reflektiert. Im
Strahlungsweg zwischen dem Gegenstand und dem halbdurchlässigen Teilspiegel befindet sich ein doppeltbrechendes
Prisma.
Das linear polarisierte Strahlungsbündel teilt sich im Prisma in zwei Bündel. Die Schwingungsrichtung
eines Bündels steht senkrecht zur Schwingungsrichtung des anderen Bündels. Die beiden linear polarisierten
Strahlungsbündel, die aus dem Kristall, z. B.
einem Wollaston-Prisma, heraustreten, schließen miteinander einen kleinen Winkel ein. Im Lichtweg
zwischen dem Prisma und der Bildfläche ist ein Analysator angeordnet, der nur die in der Schwingungsrichtung des Analysators schwingenden Bündelkom-
ponenten durchläßt.
Infolge der optischen Wegdifferenz zwischen den beiden durch den Analysator hindurchtretenden
Bündeln entstehen in der Bildfläche Stellen, insbesondere parallele Streifen, maximaler und minimaler
Strahlungsintensität.
Auch aus der DT-AS 10 85 350 ist ein solches Interferometer bekannt, bei dem jedoch kein linearer
Polarisator im Wege der beiden Teilstrahlenbündel vorgesehen ist.
Bei diesem bekannten Interferometer ist das eine Teilbündel in einer ersten Ebene polarisiert und das
zweite Teilbündel in einer zur ersten Ebene senkrechten zweiten Ebene Dabei findet eine Intensitäts-
modulation für die beiden kombinierten Teilbündel statt, die in der ersten Ebene polarisiert sind, und
ebenso für die zwei kombinierten Teilbündel, welche in der zweiten Ebene polarisiert sind.
Die bekannten Inferometer haben den Nachteil, daß sie für Messungen von sich zeitlich verhältnismäßig
schnell ändernden Phasenunterschieden nicht geeignet sind. Die Messungen bestehen nämlich aus
mehreren Einstellungen, z. V. von Helligkeitsmustern, die zeitlich nacheinander eriolgen müssen.
Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu beseitigen, und weist dazu das Kennzeichen auf, daß
hinter den Einrichtungen zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel optische Elemente angeordnet
sind, mittels der die beiden Teilstrahlenbündel entgegengesetzt zirkulär polarisierbar sind.
Die optischen Elemente in einem optischen Interferometer nach der Erfindung, bei dem die Teilbündel
senkrecht zueinander polarisiert sind, bestehen
vorzugsweise aus einer — Α-Platte (n = ungerade) in
der Diagonallage.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Phasenunterschied der Teilbündel sich durch entgegengesetzte
Zirkularpolarisation kontinuierlich ändern läßt, ohne daß sich die geometrische Weglänge
der Bündel ändert.
Eine Intensitätsmodulation wird erreicht mittels eines rotierenden, linearen Polarisators.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine erste Ausführungsform eines Interferometers,
F i g. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Interferometers nach Fig. 1,
F i g. 4 eine zweite Ausführungsform des Interferometers und
F i g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des Interferometers nach F i g. 4.
Im Interferometer nach F i g. 1 trifft ein paralleles Lichtbündel, das von der in der Brennfläche der
Linse 2 angeordneten Lichtquelle 1 erzeugt wird, unter einem Winkel von 45° auf den halbdurchlässigen
Teilspiegel 3.
Einfachheitshalber sind nur die mit as und b angedeuteten
Strahlen des Lichtbündels dargestellt. Der halbdurchlässige Spiegel 3 läßt abgesehen von den
Verlusten, eine Hälfte des einfallenden Bündels zum Vergleichsspiegel 5 durch und reflektiert die andere
Hälfte zum Meßgegenstand 4, der z. B. einen Spiegel mit örtlicher Verdickung darstellt.
Die von den Spiegeln 4 und 5 reflektierten Bündel werden nach dem Durchgang durch bzw. nach der
Zurückwerfung am halbdurchlässigen Spiegel 3 in der Bildfläche 11 wahrgenommen.
In den Lichtwegen zwischen den Spiegeln 3, 4 bzw. den Spiegeln 3, 5 sind eine 1U A-Platte 6 und
ein linearer Polarisator 8, bzw. ein 1Ai A-Platte 7 und
ein linearer Polarisator 9 angeordnet.
Die aus natürlichem Licht bestehenden Teilbündel werden in den Polarisatoren 8 bzw. 9 in linear polarisiertes
Licht umgesetzt. Nach Reflexion an dem Spiegel 4 bzw. 5 wird das linear polarisierte Licht von
der -^--Platte 6 bzw. 7 in kreisförmig polarisiertes
Licht umgesetzt. Die Hauptrichtung der -^--Platten
schließt nämlich bei eeeianeter Wahl der Laee der Platten einen Winkel von 45° mit der Polarisationsrichtung
der zugeordneten Polarisatoren ein.
Die Richtung der optischen Achse der Kristallplatten 6 und 7 wird außerdem derart gewählt, daß
das aus einer Platte austretende Licht rechtsdrehend und das aus der anderen Platte austretende Licht
linksdrehend kreisförmig polarisiert ist.
Haben die beiden kreisförmig polarisierten Schwingungen gleiche Amplituden, so kombinieren sie sich
zu einer linearen Schwingung. Diese lineare Schwingung trifft auf den Analysator 10. Die Intensität der
durchgelassenen Komponente ändert sich sinusförmig mit dem Winkel zwischen der Hauptrichtung des
Analysators 10 und der Polarisationsrichtung des linear polarisierten Bündels. Die Modulationstiefe der
durchgelassenen Strahlung beträgt 100 °/o, denn bei einem Winkel von 90° zwischen der Hauptrichtung
und der Polarisationsrichtung ist die durchgelassene Intensität gleich Null.
Sind die Amplituden der kreisförmig polarisierten Schwingungen ungleich, so kombinieren sie sich zu
einer elliptischen Schwingung.
Die Längsachse der Ellipse hat die Richtung der linearen Schwingung im soeben beschriebenen Falle.
Dies bedeutet, dalJ die Modulationstiefe der vom
Analysator 10 durchgelassenen Strahlung sich ändert. Dabei bleibt aber der Phasenunterschied
zwischen der Schwingung und der Winkellage des Analysators gleich dem im zuerst besprochenen
Falle.
In F i g. 2 ist mit 21 bzw. 22 die Intensität Z des durchgelassenen Bündels als Funktion der Winkellage
α des Analysators bei gleicher bzw. ungleicher Amplitude der auf dem Analysator auftreffenden
kreisförmig polarisierten Schwingungen bezeichnet.
Das Interferometer ist derart eingestellt, daß in der Bildfläche 11 ein Streifenmuster entsteht. Das
Streifenmuster entsteht durch Drehung des Vergleichsspiegels 5 oder des Gegenstandes 4 um einen
geringen Winkel. Das Streifenmuster ist beiderseits der Linie 30 verschoben (Fig. 3). Die Linie 30 wird
quer zu dem Streifen eingestellt, z. B. durch Drehung des Gegenstandes 4 um eine zum einfallenden Strahlungsbündel
parallele Achse.
Das Verschieben des Streifenmusters entsteht durch den Höhenunterschied der Schicht auf dem
Gegenstand 4 bei 12 (F i g. 1).
Dreht sich der Analysator 10 um eine mit dem Einfallsbündel parallele Achse, ,so verschieben sich
die Streifenmuster beiderseits der Grenzlinie 30 in einer zur Grenzlinie parallelen Richtung.
Hinter dem Analysator 10 ist parallel mit dem Streifenmuster ein Spalt 31 vorgesehen. Jede Gesichtsfeldhälfte
wird auf einem getrennten photoelektrischen Detektor 32 bzw. 33 abgebildet. Rotiert
der Analysator 10 gleichförmig, so entstehen in den Detektoren 32 und 33 elektrische Signale mit einem
Phasenunterschied gleich dem optischen Phasenunterschied der Bündel 15 und 16. Dieser Phasenunterschied
wird in bekannter Weise elektrisch gemessen.
Man würde das gleiche Ergebnis erzielen, wenn man nicht den Analysator verdreht, sondern den
Spiegel 4 oder 5 in Richtung der Bündel bewegt. Letzteres bereitet aber unüberwindliche praktische
Schwierigkeiten, denn es ist nahezu unmöglich, die Spiegel parallel zu sich selbst mit der gewünschten
Genauigkeit zu verschieben.
In einem Ausführunsisbeispiel war 1 eine mono-
chromatische Lichtquelle, die Licht mit einer Wellenlänge
von 5460 Angstrom ausstrahlte; der Analysator 10 wurde mit einer Geschwindigkeit von 1500
Umdrehungen pro Minute rotiert. Ein Phasenunterschied von etwa 4° zwischen den von den Detektoren
32 und 33 erzeugten sinusförmigen Signalen kann noch detektiert werden. Der diesem Phasenunterschied
entsprechende Höhenunterschied 12 betrug 0,003 μΐη.
Im Interferometer nach F i g. 4 tritt das Licht der Lichtquelle 40 durch ein nicht dargestelltes Linsensystem
hindurch, das ein paralleles Bündel auf den Polarisator 41 wirft, der das Bündel in linear polarisiertes
Licht umsetzt. Nach erfolgter Reflexion am halbdurchlässigen Spiegel 42, der unter einem Winkel
von 45° getroffen wird, trifft das linear polarisierte Bündel auf den Gegenstand 45, der das Bündel
wieder zum halbdurchlässigen Spiegel 42 reflektiert. Das Linsensystem 44 sorgt dafür, daß der Gegenstand
45 in der Bildebene 47 abgebildet wird. Im doppeltbrechenden Prisma 43, das von sowohl dem
hingehenden als auch dem zurückgeworfenen linear polarisierten Bündel durchlaufen wird, teilt sich dieses
Bündel in zwei räumlich getrennte Bündel. Die Schwingungsrichtung eines linear polarisierten Bündels
steht senkrecht auf der des anderen linear polarisierten Bündels. Der Winkel ß, den die Bündel nach
dem zweiten Durchgang durch das Prisma 43 einschließen, ist von der Größenordnung von 0,5°.
Diese räumlich getrennten Bündel passieren den halbdurchlässigen Spiegel 42 und treffen auf dem
Analysator 46 auf. Infolge des optischen Wegunterschieds zwischen den beiden Bündeln entstehen in
der Bildebene 47 parallele Streifen maximaler und minimaler Strahlungsintensität.
Besteht der Gegenstand 45 aus zwei reflektierenden Schichten mit einem Höhenunterschied Δ h, so daß
die Gegenstandsebene in zwei Felder geteilt wird, so wird das Bildfeld vom Kristall 43 in drei Felder
50, 51 und 52 geteilt (s. F i g. 5). Die Streifenmuster in den Feldern 50 und 52 sind in Wirklichkeit Teile
nur eines Musters. Das Feld 51 hat ein Muster mit gleicher Periodizität wie die der Felder 50 und 52.
Das Muster im Feld 51 ist aber gegenüber dem in den Feldern 50 und 52 verschoben (s. den Artikel in
ίο »Revue de Metallurgie«, 52, Nr. 2, 1955, S. 121 bis
134, insbesondere Fig. 1, 2 und 3 mit zugehöriger Beschreibung).
Zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel 42 und
dem Analysator 46 wird eine -j-Platte 48 in der
Diagonallage gegenüber den Hauptrichtungen des Prisma 43 angeordnet, wodurch diese sich von der
Vorrichtung gemäß der GB-PS 6 39 014 unterscheidet. Die beiden linear polarisierten Bündel 35
und 36 werden von der-f- -Platte 48 in ewei kreisför-4
mig polarisierte Bündel mit entgegengesetztem Drehsinn
umgesetzt, denn die Schwingungen der linearen Bündel stehen senkrecht zueinander.
Wird der Analysator 46 um eine quer zur Hauptrichtung stehende Achse gedreht, so verschiebt sich
das Streifenmuster in den Feldern 50, 51 und 52 auf ähnliche Weise wie beim Interferometer nach Fig. 1
in einer Richtung senkrecht zur Streifenrichtung. In den in der Bildfläche hinter einem Spalt angeordneten
Detektoren 60 und 61 werden elektrische Signale mit einem Phasenunterschied gleich dem
optischen Phasenunterschied der Bündel 35 und 36 erzeugt. Dieser Phasenunterschied wird wieder in bekannter
Weise elektrisch gemessen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Optisches Interferometer mit einer Lichtquelle, mit einer Einrichtung zur Aufspaltung des
von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels in zwei räumlich getrennte Teilstrahlenbündel,
mit Einrichtungen zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel, mit Einrichtung0-!
zur Überlagerung der beiden Teilstrahlenbüncol nach Durchgang oder Reflexion mindestens eines
der beiden Teilstrahlenbündel durch bzw. an einem zu prüfenden Objekt und mit einem
linearen Analysator im Wege der beiden überlagerten Teilstrahlenbündel, dadurch gekennzeichnet,
daß hinter den Einrichtungen (8, 9 bzw. 41, 43) zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel optische Elemente
(6, 7 bzw. 48) angeordnet sind, mittels der die beiden Teilstrahlenbündel entgegengesetzt zirkulär
polarisierbar sind.
2. Optisches Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen
(41, 43) zur linearen Polarisation der beiden Teilstrahlenbündel derart ausgebildet sind, daß die
beiden Teilstrahlenbündel senkrecht zueinander polarisiert sind und daß die optischen Elemente
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