DE3523382A1 - Interference arrangement for testing wavefronts - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Interferenzanordnung zur Prüfung von Wellenflächen kohärenter Lichtstrahlen, die einen Strahlteiler, eine plane Referenzfläche und ein Prisma aufweist.The present invention relates to an interference arrangement for testing wave surfaces of coherent light beams a beam splitter, a flat reference surface and a prism having.
Eine derartige Anordnung ist aus "Applied Optics", Vol. 9, Nr. 11, November 1970, bekannt. Bei diesem Interferometer, das allgemein auch als Shearing-Interferometer bezeichnet wird, wird als Strahlteiler eine plan-parallele Platte eingesetzt. Das in diesem Interferometer eingesetzte Prisma dient als sogenannter "Cube Corner Reflector" (CCR), um den einen im Strahlteiler erzeugten Strahlenast wieder auf den Strahlteiler zurückzuwerfen, der dann mit dem anderen Strahlenast zur Interferenz gebracht wird. Solche Shearing-Interferometer werden zur Untersuchung optischer Strahlen- bzw. der Wellenflächen-Deformation optischer Strahlen eingesetzt. Die Kollimationsgüte kann aus dem mit der Anordnung erzeugten Interferenzbild, das durch die Überlagerung von zwei Wellenflächen entsteht, gewonnen werden.Such an arrangement is from "Applied Optics", Vol. 9, No. 11, November 1970. With this interferometer, commonly referred to as a shearing interferometer a plane-parallel plate is used as the beam splitter. The prism used in this interferometer serves as a so-called "Cube Corner Reflector" (CCR) to the a beam branch generated in the beam splitter back on the Throw back beam splitter, which then with the other beam branch is brought to interference. Such shearing interferometers are used to investigate optical radiation or Wave surface deformation of optical rays used. The quality of collimation can be derived from that generated with the arrangement Interference pattern caused by the superposition of two wave surfaces arises, can be won.
Ausgehend von einer solchen Interferenzanordnung zur Prüfung von Wellenflächen kohärenter Lichtstrahlen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Shearing- Interferometers anzugeben, das eine hohe Empfindlichkeit hinsichtlich der Darstellung einer als plan angesetzten idealen Wellenfläche zeigt, wobei der Idealzustand einer optimalen Kollimation entspricht, und bei dem weiterhin die Möglichkeit gegeben ist, ohne großen technischen Aufwand die Empfindlichkeit wesentlich zu ändern.Starting from such an interference arrangement for testing of wavy surfaces of coherent light rays lies the present Invention the task of building a shearing Interferometers indicate that high sensitivity with regard to the representation of an ideal as a plan Wave surface shows, the ideal state of an optimal Corresponds to collimation, and at which the possibility continues is given sensitivity without great technical effort to change significantly.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß als Strahlteiler die Basisfläche des Prismas dient, die in einem Abstand, der zwischen 5 µm und 1 mm liegt, und nahezu parallel zu der Referenzfläche angeordnet ist, daß das Prisma gegenüber den in eine seiner Seitenflächen eintretenden und unter einem Einfallswinkel auf die Basisfläche auftreffenden Prüf-Lichtstrahlen, an der sie teilweise reflektiert und durch die sie teilweise hindurchtreten, die hindurchtretenden Lichtstrahlen an der Referenzfläche in das Prisma zurück reflektiert und mit den an der Prismen-Basisfläche reflektierten Strahlen zur Interferenz gebracht wird, derart justiert ist, daß der Einfallswinkel geringfügig vom Winkel der Totalreflexion abweicht, und daß die Basisfläche und die Referenzfläche in ihrer Ebenheitsabweichung besser sind als 1/5 der Wellenlänge der Prüf-Lichtstrahlen, bezogen auf eine Strecke von 5 cm in jeder Richtung. Mit einer derartigen Anordnung wird eine hohe Empfindlichkeit erreicht, d. h. bereits kleine Winkeländerungen in der Beleuchtungsrichtung, die einer Wellenflächen- Verformung entsprechen, übersetzen sich in eine starke Verformung der Interferenzlinien, die ansonsten bei hoher Kollimationsgüte parallel verlaufen würden. Es hat sich gezeigt, daß beispielsweise bei einer Wahl des Abstandes H = 1mm des Einfallswinkels der Strahlen auf die Basisfläche des Prismas von 41,5° gegenüber einem Einfallswinkel von 20° die Empfindlichkeit um das Achthundertfache erhöht wird. Unter dem Einfallswinkel ist der von den einfallenden Prüfstrahlen und der Flächennormalen, die vom Eintrittspunkt der Prüf-Lichtstrahlen in die Basisfläche ausgeht, eingeschlossene Winkel zu verstehen. This object is achieved in that as Beam splitter serves the base surface of the prism, which in one Distance between 5 µm and 1 mm and almost parallel is arranged to the reference surface that the prism opposite the one entering one of its side surfaces and under one Angle of incidence of test light rays hitting the base surface, from which it is partially reflected and through which they partially pass through, the light rays passing through reflected back into the prism at the reference surface and with the rays reflected on the prism base surface is brought to interference, is adjusted so that the Angle of incidence slightly different from the angle of total reflection deviates, and that the base area and the reference area in their flatness deviation are better than 1/5 of the wavelength the test light beams, based on a distance of 5 cm in every direction. With such an arrangement high sensitivity achieved, d. H. even small changes in angle in the direction of illumination that corresponds to a wave surface Correspond to deformation, translate into a strong one Deformation of the interference lines, which otherwise occurs at high Collimation quality would run parallel. It has shown, that, for example, when choosing the distance H = 1mm of Angle of incidence of the rays on the base surface of the prism of 41.5 ° compared to an angle of incidence of 20 ° the sensitivity is increased by eight hundred times. At the angle of incidence is that of the incident test beams and the Surface normals from the entry point of the test light rays in the base surface to understand included angles.
Die Anordnung hat sich besonders für sichtbares Licht bewährt; mit gleicher Güte ist jedoch der Betrieb im IR-Bereich möglich.The arrangement has proven particularly useful for visible light; However, operation in the IR range is possible with the same quality.
Bevorzugt wird ein Abstand der Basifläche von der Referenzfläche gewählt, der zwischen 0,02 mm und 0,4 mm liegt.A distance of the base surface from the reference surface is preferred selected, which is between 0.02 mm and 0.4 mm.
Der Einfallswinkel sollte zwischen 36° und 41,3°, bevorzugt zwischen 37° und 41,1° liegen. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Einfallswinkel zwischen 39° und 41° erwiesen.The angle of incidence should be between 36 ° and 41.3 °, preferred are between 37 ° and 41.1 °. To be particularly advantageous an angle of incidence between 39 ° and 41 ° has been found.
Ein einfacher Aufbau, mit dem ohne großen technischen Aufwand die Empfindlichkeit wesentlich geändert werden kann, ergibt sich dadurch, daß das Prisma um eine zu dessen Eckkanten parallel verlaufende und in etwa der Mitte der Basisfläche liegende Achse drehbar angeordnet ist. Um den Einfallswinkel genauestens einstellen zu können, ist das Prisma und der Planspiegel über in einem Gehäuserahmen gelagert, der seinerseits in einem Gehäuse drehbar angeordnet, wobei dem Gehäuse eine erste Einstellskala und dem Prisma bzw. dem Gehäuserahmen eine zweite Einstellskala fest zugeordnet ist. Mit der dem Gehäuse zugeordneten ersten Skala wird die Interferenzanordnung justiert, indem zunächst ein Einfallswinkel eingestellt wird, der der Totalreflexion entspricht. Dieser Einfallswinkel ist leicht auffindbar und definiert einstellbar. Nachdem diese Justierung erfolgt ist, wird diese Stellung fixiert und mit der zweiten, dem Prisma und dem Planspiegel zugeordneten Einstellskala der erwünschte Einfallswinkel eingestellt, hierbei wird die dem Prisma zugeordnete Einstellskala gegenüber der Gehäuse-festen Einstellskala verdreht wird.A simple structure with which without great technical effort the sensitivity can be changed significantly in that the prism around one of the corner edges parallel and approximately in the middle of the base area lying axis is rotatably arranged. About the angle of incidence To be able to adjust precisely is the prism and the Flat mirror above stored in a housing frame, which in turn rotatably arranged in a housing, the housing a first setting scale and the prism or the housing frame a second setting scale is permanently assigned. With the The first scale assigned to the housing becomes the interference arrangement adjusted by first setting an angle of incidence, which corresponds to total reflection. This angle of incidence is easy to find and adjustable. After this this adjustment is made, this position is fixed and with the second, assigned to the prism and the plane mirror Setting scale the desired angle of incidence is set, Here the setting scale assigned to the prism is compared the housing-fixed setting scale is turned.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigenFurther details and features of the invention emerge from the following description of an embodiment based on the drawing. Show in the drawing
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Interferenzanordnung, Fig. 1 shows the basic structure of the interference device,
Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung des in Fig. 1 mit II gekennzeichneten Bereiches,Of the area marked in FIG. 1 II Fig. 2 shows an enlarged
Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Empfindlichkeit in Abhängigkeit des Einfallswinkels aufgetragen ist und Fig. 3 is a diagram in which the sensitivity is plotted as a function of the angle of incidence and
Fig. 4 die Interferenzanordnung mit Justiereinrichtung in Draufsicht. Fig. 4 shows the interference arrangement with adjustment device in plan view.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist wesentlicher Bestandteil der Interferenzanordnung ein Prisma 1, das mit seiner Basisfläche 2 in geringem Abstand H zu einer Referenzfläche 3, die durch die Oberfläche einer Referenzplatte 4 gebildet wird, angeordnet ist.As can be seen from FIG. 1, an essential component of the interference arrangement is a prism 1 , which is arranged with its base surface 2 at a small distance H from a reference surface 3 , which is formed by the surface of a reference plate 4 .
Wie Fig. 2 deutlicher zu entnehmen ist, treten die einfallenden Prüf-Lichtstrahlen, durch die Linie 5 angedeutet, in die eine Seitenfläche 6 des Prismas 1 aus Glas mit dem Brechungsindex n ein und treffen unter einem Einfallswinkel e auf die Basisfläche 2 des Prismas 1. Mit dem Einfallswinkel e ist in Fig. 2 der Winkel 7, der von den einfallenden Prüf- Lichtstrahlen 5 und der Flächennormalen, die durch den Auftreffpunkt 8 der Prüf-Lichtstrahlen 5 auf die Basisfläche 2 führt, eingeschlossen wird, bezeichnet. An der Basisfläche 2 wird ein Teil der Strahlen 5 reflektiert - dieser Strahlenast ist in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet - während der andere Teil unter einem Ausfallswinkel 10 aus der Basisfläche 2 austritt, auf die Referenzfläche 3 trifft, und zwar an dem Auftreffpunkt 11, wobei dieser Strahlenast 12 vollständig von der Referenzfläche 3 in das Prisma zurückgeworfen wird. Eine kleine Winkeländerung 13 der einfallenden Prüf-Lichtstrahlen, in Fig. 2 mit 5′ bezeichnet, die einer Wellenflächen- Verformung entspräche, übersetzt sich in einer Änderung des Ausfallswinkels 10, in Fig. 2 durch den Winkel 14 angedeutet. Eine solche Winkeländerung 13 bzw. 14 entspricht einer Änderung des optischen Weges, die sich in einer relativen Abweichung der Interferenzlinien von einem ideal-parallel-gitterförmigen Interferenzliniensystem äußert und meßbar ist. As can be seen more clearly from FIG. 2, the incident test light rays, indicated by line 5 , enter one side surface 6 of the prism 1 made of glass with the refractive index n and strike the base surface 2 of the prism 1 at an angle of incidence e . In FIG. 2, the angle of incidence e denotes the angle 7 which is enclosed by the incident test light rays 5 and the surface normal which leads through the point of incidence 8 of the test light rays 5 to the base surface 2 . A part of the rays 5 is reflected on the base surface 2 - this branch of radiation is designated by the reference number 9 in FIG. 1 - while the other part emerges from the base surface 2 at an angle of reflection 10 , which strikes the reference surface 3 , specifically at the point of incidence 11 , this beam branch 12 being thrown back completely from the reference surface 3 into the prism. A small change in angle 13 of the incident test light rays, denoted in FIG. 2 by 5 ' , which corresponds to a wave surface deformation, translates into a change in the angle of reflection 10 , indicated in FIG. 2 by the angle 14 . Such a change in angle 13 or 14 corresponds to a change in the optical path, which manifests itself in a relative deviation of the interference lines from an ideally parallel-lattice-shaped interference line system and can be measured.
Ist diese Winkeländerung lokal begrenzt, was einer Wellenflächen- Deformation entspricht, so wird sich dies im Interferogramm durch eine lokale relative Streifenverschiebung bemerkbar machen. Diese lokale Streifenverschiebung charakterisiert eine fehlerhafte Zone gegenüber Gut-Zonen. Zwischen der Verformung des Eintrittstrahles bzw. der Änderung des Einfallswinkels e und der Änderung der Empfindlichkeit der Interferenzanordnung besteht ein nichtlinearer Zusammenhang, wie er sich aus Fig. 3 sowie der nachfolgenden Wertetabelle ergibt: If this change in angle is locally limited, which corresponds to a wave surface deformation, this will be noticeable in the interferogram by a local relative stripe shift. This local strip shift characterizes a faulty zone compared to good zones. There is a non-linear relationship between the deformation of the entrance beam or the change in the angle of incidence e and the change in the sensitivity of the interference arrangement, as can be seen in FIG. 3 and the following table of values:
Bei der Anordnung, mit der diese Werte ermittelt wurden, betrug n (Brechnungsindex) 1,458 (Quarzglas), der Abstand H zwischen der Basisfläche 2 des Prismas 1 und der Referenzfläche 3 1mm und die Wellenlänge der Prüf-Lichtstrahlen 0,6 µm. Der Brechnungsindex des für das Prisma verwendete Material sollte bevorzugt zwischen 1,46 und 1,52 liegen. Man erkennt aus dem dargestellten Zusammenhang zwischen dem Einfallswinkel e und Empfindlichkeit E, daß durch geeignete Wahl des Einfallswinkel e kleine Winkeländerungen in der Wellenfläche, stark unterschiedlich dargestellt werden können. Je näher der Grenzwinkel der Totalreflexion erreicht wird, desto größer wird die Verschiebung der Interferenzlinien zwischen guten und gestörten Zonen. Ein besonders günstiger Bereich ergibt sich unter einem Einfallswinkel e zwischen 39° und 41,1° bzw. 41°. In diesem Bereich wird die Empfindlichkeit E gegenüber einem Einfallswinkel von 20° um einen Faktor 50 bzw. etwa 100 erhöht. In the arrangement with which these values were determined, n (refractive index) was 1.458 (quartz glass), the distance H between the base surface 2 of the prism 1 and the reference surface 3 was 1 mm and the wavelength of the test light beams was 0.6 μm. The refractive index of the material used for the prism should preferably be between 1.46 and 1.52. It can be seen from the relationship between the angle of incidence e and the sensitivity E that small angle changes in the wave surface can be represented very differently by suitable choice of the angle of incidence e . The closer the critical angle of total reflection is reached, the greater the shift in the interference lines between good and disturbed zones. A particularly favorable range arises at an angle of incidence e between 39 ° and 41.1 ° or 41 °. In this area, the sensitivity E is increased by a factor of 50 or about 100 compared to an angle of incidence of 20 °.
Eine einfache Justierung der Interferenzanordnung erfolgt mit einem Aufbau, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Hierbei ist das Prisma 1 auf einer Grundplatte 15 befestigt. Die Referenzplatte 4 wird parallel und in Abstand zur Basisfläche 2 des Prismas 1 durch eine Trageplatte 16 gehalten, die ihrerseits an einem in seiner Grundform quadratischen Gehäuserahmen 17 mittels Justierschrauben 18 aufgehängt ist. Das Prisma ist derart in dem Gehäuserahmen orientiert, daß dessen Seitenflächen 6 parallel zu zwei Seiten des Gehäuserahmens 17 verlaufen. Entsprechend ist die Trageplatte 16 an Eckvorsprüngen 19 des Gehäuserahmens 17 befestigt. In den den Seitenflächen 6 des Prisma 1 zugeordneten Seiten des Gehäuserahmens 17 ist jeweils ein Eintritt- und ein Austrittfenster 20 für die einfallenden bzw. austretenden Prüf- Lichtstrahlen 5 vorgesehen.A simple adjustment of the interference arrangement takes place with a construction as shown in FIG. 4. Here, the prism 1 is attached to a base plate 15 . The reference plate 4 is held parallel and at a distance from the base surface 2 of the prism 1 by a support plate 16 , which in turn is suspended on a housing frame 17 which is square in its basic shape by means of adjusting screws 18 . The prism is oriented in the housing frame such that its side faces 6 run parallel to two sides of the housing frame 17 . Accordingly, the support plate 16 is attached to corner projections 19 of the housing frame 17 . In the sides of the housing frame 17 assigned to the side surfaces 6 of the prism 1 , an entry and an exit window 20 are provided for the incoming and outgoing test light beams 5 .
Am Außenumfang des Gehäuserahmens 17 sind scheibenförmige Abschnitte 21 angeordnet, die sich zu einer Scheibe ergänzen. Diese scheibenförmigen Abschnitte bzw. Scheibe 21 ist in einem äußeren Trägerring 22 drehbar gelagert; dieser äußere Trägerring 22 ist einerseits in einem Gehäuse 23 drehbar angeordnet. Der äußere Tragering 22 trägt eine erste Einstellskala 24, der eine zweite Einstellskala 25 auf dem entsprechenden scheibenförmigen Abschnitt 21 zugeordnet ist. Zur Justierung der Anordnung bzw. der Einstellung des erwünschten Einfallswinkels e werden zunächst die erste und die zweite Einstellskala 24, 25 gegeneinander auf Null justiert und anschließend der äußere Trägerring 22 zusammen mit der Scheibe 21 und dem darin gelagerten Gehäuserahmen 22 so verdreht, daß der Einfallswinkel mit dem Winkel der Totalreflexion zusammenfällt. Dieser Winkel ist genau definiert auffindbar. Hierauf wird der äußere Trägerring 22 in dieser Stellung fixiert, beispielsweise mit einer nicht dargestellten Feststellschraube. Nach dieser Justierung kann nun der gewünschte Einfallswinkel e bzw. 7 durch Verdrehen der Scheibe 21 mit der zweiten Einstellskala 25 gegen den äußeren Trägerring 22 mit der ersten Einstellskala 24 eingestellt werden. Durch Verdrehen der Justierschrauben 18 kann der Abstand der Referenzplatte 4 zur Basisfläche 2 des Prismas 1 in einfacher Weise verändert werden. Ebenso kann hiermit die Referenzplatte geringfügig zur Basisfläche 2 geneigt werden.Disc-shaped sections 21 are arranged on the outer circumference of the housing frame 17 , which complement each other to form a disc. This disk-shaped sections or disk 21 is rotatably supported in an outer carrier ring 22 ; on the one hand, this outer carrier ring 22 is rotatably arranged in a housing 23 . The outer support ring 22 carries a first setting scale 24 , which is assigned a second setting scale 25 on the corresponding disk-shaped section 21 . To adjust the arrangement or the setting of the desired angle of incidence e , the first and second setting scales 24, 25 are first adjusted to each other to zero and then the outer support ring 22 together with the disk 21 and the housing frame 22 mounted therein are rotated so that the angle of incidence coincides with the angle of total reflection. This angle can be found precisely. The outer carrier ring 22 is then fixed in this position, for example with a locking screw, not shown. After this adjustment, the desired angle of incidence e or 7 can now be set by rotating the disk 21 with the second setting scale 25 against the outer carrier ring 22 with the first setting scale 24 . By turning the adjusting screws 18 , the distance between the reference plate 4 and the base surface 2 of the prism 1 can be changed in a simple manner. Likewise, the reference plate can be slightly inclined to the base surface 2 .
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