DE3531904A1 - Lateral shearing interferometer for phase-different measurement of two wave fronts of constant phase - Google Patents

Abstract

Lateral-shearing interferometer for phase-different measurement of wave fronts. This two-beam interferometer is used for measuring the deviation of a test wave front from a planar wave front, and for measuring the deviation from the spherical shape in the case of a slightly curved wave front. These measurements are used, for example, for testing optical systems. In this case, the lateral offset of the wave fronts at right angles to the propagation direction of the light, so-called lateral shear, is brought about only by mirrors and can be adjusted independently of the path-length difference of the sub-beam paths. The path lengths of the sub-beam paths can be tuned to zero, the white-light position, and do not influence the lateral shear.

Description

Beschreibung description

Lateral-Shearing-Interferometer zur Phasendifferenzmessung von zwei Wellenflächen konstanter Phase Die Erfindung betrifft ein Lateral-Shearing-Interferometer, LSI, nach dem Prinzip der Zweistrahlinterferenz bei dem die seitliche Versetzung, lateral-shear, und die Phasendifferenz der das Interferometer verlassenden Wellenflächen unabhängig voneinander einstellbar sind.Lateral shearing interferometer for measuring the phase difference of two Wave surfaces of constant phase The invention relates to a lateral shearing interferometer, LSI, based on the principle of two-beam interference in which the lateral displacement, lateral-shear, and the phase difference of the wave surfaces leaving the interferometer can be set independently of each other.

Ein derartiges Interferometer ist zur Prüfung von ebenen oder schwach gekrümmten Wellenflächen konstanter Phase, z.B. des sichtbaren Bereichs der elektromagnetischen Strahlung verwendbar. Die Ebenheit solcher Wellenflächen bzw. die Abweichung von der Kugelgestalt bei schwach gekrümmten Wellenflächen ist ein Gütemaß für die Abbildungsleistung, z.B. von Photoobjektiven oder Mikroobjektiven. Ein solcher Prüfling steht bei diesem LSI in Lichtrichtung vor dem Interferometer und wird von einem punktförmigen Objekt beleuchtet.Such an interferometer is used for testing flat or weak curved wave surfaces of constant phase, e.g. the visible range of the electromagnetic Radiation can be used. The flatness of such wave surfaces or the deviation from the spherical shape with slightly curved wave surfaces is a quality measure for the imaging performance, e.g. from camera lenses or micro lenses. Such a test item is available with this one LSI in the direction of light in front of the interferometer and is from a point-shaped object illuminated.

Bisher bekannte Interferometer sind Das Twyman-Green-Interferometer, TGI, basierend auf dem Michelson-Interferometer,MI, wobei der Prüfling sich in dem einen Arm des Interferometers befindet und vom Licht zweimal durchsetzt wird, s. Pr. of Opt., S. 302.Previously known interferometers are the Twyman-Green interferometer, TGI, based on the Michelson interferometer, MI, where the test object is in the one arm of the interferometer is located and the light passes through it twice, s. Pr. Of Opt., P. 302.

Die verschiedenen Varianten des Mach-Zehnder-Interfeometers, MZI, so die Interferometer nach Bates, siehe Max Born & Emil Wolf, Principles of Optics, Sixth Edition, Pergamon Press, Frankfurt, chapter 7.5, page 315, und Drew, siehe Mütze, Foitzik, Krug und Schreiber, ABC der Optik, erste Auflage, Verlag Werner Dausien, 1972 Hanau/Main, Seite 608.The different variants of the Mach-Zehnder interfeometer, MZI, so the interferometer according to Bates, see Max Born & Emil Wolf, Principles of Optics, Sixth Edition, Pergamon Press, Frankfurt, chapter 7.5, page 315, and Drew, see Mütze, Foitzik, Krug and Schreiber, ABC der Optik, first edition, Verlag Werner Dausien, 1972 Hanau / Main, page 608.

Die beiden Prototypen MI und MZI sind auf Weißlicht abgleichbar, d.h. die Weglängendifferenz innerhalb der beiden Teilstrahlengänge kann zu Null gemacht werden.The two prototypes MI and MZI can be adjusted to white light, i.e. the path length difference within the two partial beam paths can be made zero will.

Für guten Kontrast des Interferenzmusters ist dieser Abgleich notwendig. Baut man ein solches Gerät zu einem Meßinterferometer aus, so werden abweichend vom Prototyp zusätzliche Elemente in den Strahlengang innerhalb des Interferometers, z.B. der Prüfling selbst beim TGI oder Kompensationsplatten beim Interferometer nach Bates eingefügt. Bei dem Interferometer nach Drew werden abweichend von der Grundstellung Asymmetrien der beiden Teilstrahlengänge eingeführt. Die Meßgröße ist in allen Fällen die Phasendifferenz zwischen zwei Wellenflächen.This adjustment is necessary for a good contrast of the interference pattern. If such a device is expanded into a measuring interferometer, then there will be deviations from the prototype additional elements in the beam path within the interferometer, E.g. the test item itself with the TGI or compensation plates with the interferometer inserted after Bates. The Drew interferometer differs from the Basic position asymmetries of the two partial beam paths introduced. The measurand is in all cases the phase difference between two wave surfaces.

Es kommt nun darauf an, ob die, die Verstellung verursachenden, oder in den Strahlengang eingefügten Elemente ihre Wirkung auf dem Brechungs- oder Reflektionsgesetz aufbauen. Dreht man z.B. eine Planparallelpatte innerhalb eines Teilstrahlengangs im Interferometer, so versetzt sie nicht nur den Strahl, sondern ändert auch den optischen Weg und zwar aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsgesetztes unterschiedlich für verschiedene Wellenlängen. Ein solcher Aufbau erfordert im anderen Teilstrahlengang meistens ein Kompensationselement, ähnlich der Kompensationsplatte beim Michelson-Interferometer, zur Erhaltung des Weißlichtabgleichs. Beim TGI z.B., ist für exakten Weißlichtabgleich ein zweites Objektiv gleich dem Prüfling erforderlich. Weiterhin muß meistens diese Weißlichtposition für jede Meßverstellung neu gefunden werden.It now depends on whether those who cause the adjustment, or Elements inserted in the beam path have their effect on the law of refraction or reflection build up. If, for example, a plane-parallel plate is rotated within a partial beam path in the interferometer, it not only displaces the beam but also changes it optical path due to the wavelength dependence of the law of refraction different for different wavelengths. Such a structure requires in the other Partial beam path mostly a compensation element, similar to the compensation plate with the Michelson interferometer, to maintain the white light balance. At the TGI, for example, a second lens like the test object is required for exact white light balancing. Furthermore, this white light position usually has to be found anew for each measurement adjustment will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Problematik zu umgehen.The invention is based on the object of circumventing this problem.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßverstellungen nur von den zusätzlichen ebenen Spiegeln durchgeführt werden und daß die bei einem Zweistrahlinterferometer zur Teilung und Zusammenführung der Strahlengänge zwingend notwendigen Planparallelplatten von den Teilwellen in derselben Hauptstrahlrichtung durchsetzt werden.This object is achieved according to the invention in that the measuring adjustments can only be carried out by the additional plane mirrors and that those at one Two-beam interferometer for splitting and merging the beam paths is mandatory necessary plane-parallel plates from the partial waves in the same main beam direction be enforced.

Dabei ist darauf geachtet worden, daß der zum Eingang des Interferometers symmetrische Ausgang benutzt wird, sodaß von den Strahlenteilern T1 und T2 jede der Teilwellen nur einmal durchgelassen und einmal gespiegelt wird. Außerdem sind lateral-shear und Weglängenabgleich der Teilstrahlengänge bei diesem Zweistrahlinterferometer unabhängig voneinander einstellbar, sodaß bei verschiedenen Meßeinstellungen des lateral-shear der Weißlichtabgleich erhalten bleibt.Care has been taken to ensure that the input to the interferometer symmetrical output is used, so that each of the beam splitters T1 and T2 the partial waves are only allowed through once and reflected once. Also are lateral shear and path length adjustment of the partial beam paths in this two-beam interferometer independently adjustable, so that with different measurement settings of the lateral-shear the white light balance is retained.

Die bei dieser Erfindung erzielten Vorteile bestehen vorallem darin, daß bei dem einmal auf Weißlicht abgegliechenen Interferometer und unabhängig davon einstellbarem lateral-shear zur Prüfung von Objektiven nur die Filter im Beleuchtungsstrahlengang für die verschiedenen Prüfwellenlängen gewechselt werden müssen, sodaß die Interferenzfiguren in der Beobachtungsebene zur Beurteilung der Abbildungsleistung des Prüflings für diese Wellenlängen ohne Umjustierung vergleichbar sind.The advantages achieved with this invention are above all: that with the interferometer once calibrated to white light and independently of it adjustable lateral shear for testing lenses, only the filters in the illumination beam path must be changed for the different test wavelengths, so that the interference figures in the observation level to assess the imaging performance of the test object for these wavelengths are comparable without readjustment.

Das Schema des Abbildungsstrahlenganges des LSI in Grundstellung, lateral-shear und Phasendifferenz identisch Null, ist in den Abbildungen la und 1b dargestellt. Aufgrund der besseren Übersicht ist nur der Hauptstrahl gezeichnet. Den Pfeilen senkrecht zum Hauptstrahl entsprechen die Drehungen der Wellenfronten durch die verschiedenen Spiegelungen. Am Interferometerausgang haben die Wellenfronten gleiche Orientierung. Bl stellt das punktförmige Objekt für den Prüfling Pr dar. Die Beobachtungsebene B ist ein Bild der Austrittspupille des Prüflings.The diagram of the imaging beam path of the LSI in the basic position, lateral shear and phase difference identical to zero, is in Figures la and 1b shown. For the sake of clarity, only the main ray is drawn. The arrows perpendicular to the main ray correspond to the rotations of the wave fronts through the different reflections. At the interferometer output, the wave fronts have same orientation. Bl represents the point-like object for the test item Pr. The observation plane B is an image of the test object's exit pupil.

Weiterhin wurden die zusätzlichen ebenen Spiegel S4 und durch das Spiegelprisma P in Abbildung 1b ersetzt.Furthermore, the additional flat mirrors S4 and through the Replaced mirror prism P in Figure 1b.

In Abbildung 2 ist ein lateral-shear gegenüber der gestrichelten Grundstellung, Bild lb, gezeichnet. In Bild 3 wird die Einstellung der Weglängendifferenz gegenüber der Grundstellung aus Bild 1b aufgezeigt.In Figure 2 there is a lateral shear opposite the dashed basic position, Image lb, drawn. In picture 3 the setting of the path length difference is opposite the basic position shown in Figure 1b.

Claims (3)

Patentansprüche ( fN. Lateral - Shearing - Interferometer, LSI, nach 4m m Prinzip der Zweistrahlinterferenzen zur Phasendifferenzmessung von zwei Wellenflächen konstanter Phase erzeugt durch einen physikalischen Strahlenteiler T1 aus der auf die teilende Fläche von T1 nicht senkrecht zulaufenden Wellenfläche, sodaß T1 die Ausbreitungsrichtung des gespiegelten Anteils A der ursprünglichen Wellenfläche ändert, den durchgelassenen Anteil B in seiner Ausbreitungsrichtung nicht ändert,und und einen ebenen Spiegel S1, der die Ausbreitungsrichtung des von T1 durchgelassenen Anteils B oder des gespiegelten Anteils A so ändert, daß die Ausbreitungsrichtungen A und B gleich und parallel sind, durch Einfügen von zwei zusätzlichen ebenen Spiegeln, S3 und S4, welche die Ausbreitungsrichtungen von A und B so ändern, daß die Wellenflächen unter einem Winkel kleiner als 1800 aufeinander zulaufen, sich durchdringen und von zwei weiteren ebenen Spiegeln,S5 und Sud, die Ausbreitungsrichtungen der Anteile A und B so geändert werden, daß sie wiederrum gleichgerichtet und parallel sind und diese gemeinsame Ausbreitungsrichtung von A und B durch eine weitere Anordnung, bestehend aus einem ebenen Spiegel S2 und einem physikalischen Strahlenteiler T2, die im Aufbau mit der Anordnung S1- T1 identisch ist, so geändert wird, daß die das LSI verlassenden Teilwellenflächen konstanter Phase zueinander parallele Ausbreitungsrichtungen haben und sich in entgegengesetzer Richtung, wenn Sj die Ausbreitungsrichtung des von T1 durchgelassenen Anteils B geändert hat, oder in gleicher Richtung wenn S1 die Ausbreitungsrichtung des von T1 gespiegelten Anteils A geändert hat und für einen exakten Weißlichtabgleich zwingend notwendig parallel zu der auf T; zulaufenden Wellenfront ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, daß einer der zusätzlichen ebenen Spiegel für den Anteil A, die die Wellenflächen aufeinander zulaufen lassen mit einem der zusätzlichen ebenen Spiegel für den Anteil 3, die die Ausbreitungsrichtung der Wellenflächen wieder parallel richten auf einer ersten gemeinsamen Basis und der andere von den zusätzlichen ebenen Spiegeln für den Anteil B, die die Wellenflächen aufeinander zulaufen lassen, mit dem anderen von den zusätzlichen ebenen Spiegeln für den Anteil A, die die Ausbreitungsrichtung der Wellenfächen wieder parallel richten, auf einer zweiten gemeinsamen Basis montiert ist und jede Basis sich auf einem Kreuztisch befindet, der aus einer ersten Längsführung, die parallel zu der Ausbreitungsrichtung hinter S1 und T1 in Lichtrichtung beweglich ist, um die Weglängendifferenz der Teilstrahlengänge innerhalb des LSI's einzustellen ohne den lateral - shear zu ändern und aus einer zweiten Längsführung die senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung hinter S1 und T1 in Lichtrichtung beweglich ist, um die gegenseitige Versetzung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, genannt lateral - shear, am Ausgang des LSI's hinter T2 in Lichtrichtung ohne Änderung der Weglängendifferenz der Teilstrahlengänge einzustellen. Claims (fN. Lateral Shearing Interferometer, LSI, according to 4m m Principle of two-beam interference for measuring the phase difference of two wave surfaces constant phase generated by a physical beam splitter T1 from the is the dividing surface of T1 which is not perpendicular to the wave surface, so that T1 is the Direction of propagation of the reflected part A of the original wave surface changes, the transmitted portion B does not change in its direction of propagation, and and a plane mirror S1, which shows the direction of propagation of the transmitted by T1 Part B or the mirrored part A changes so that the directions of propagation A and B are the same and parallel, by inserting two additional plane mirrors, S3 and S4, which change the directions of propagation of A and B so that the wave surfaces run towards each other at an angle less than 1800, penetrate each other and of two further plane mirrors, S5 and Sud, the directions of propagation of the components A and B can be changed so that they are in turn rectified and parallel and this common direction of propagation of A and B through a further arrangement, consisting of a plane mirror S2 and a physical beam splitter T2, which is identical in structure to the arrangement S1-T1, is changed so that the Partial wave surfaces of constant phase leaving the LSI, mutually parallel directions of propagation and move in the opposite direction if Sj is the direction of propagation of the of T1 has changed part B, or in the same direction if S1 the direction of propagation of the part A reflected by T1 has changed and for an exact white light balance absolutely necessary parallel to that on T; running in Propagate wavefront, characterized in that one of the additional flat mirror for the part A, which allow the wave surfaces to converge with one of the additional flat mirrors for the portion 3 that shows the direction of propagation align the wave surfaces again parallel on a first common base and the other from the additional plane mirrors for the portion B, which are the wave surfaces run towards each other, with the other of the additional flat mirrors for the portion A, which is again parallel to the direction of propagation of the wave surfaces align, is mounted on a second common base and each base is up a cross table is located, which consists of a first longitudinal guide parallel to the Direction of propagation behind S1 and T1 is movable in the direction of light by the path length difference the partial beam paths within the LSI without the lateral shear to change and from a second longitudinal guide that perpendicular to the direction of propagation behind S1 and T1 is movable in the direction of the light to the mutual displacement perpendicular to the direction of propagation, called lateral shear, at the exit of the LSI behind T2 in the direction of light without changing the path length difference of the partial beam paths to adjust. 2. LSI nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnden Flächen der zusätzlichen ebenen Spiegel, für den Anteil A, parallel sind und ebenso die spiegelnden Flächen der zusätzlichen ebenen Spiegel, für den Anteil 3, parallel sind.2. LSI according to claim 1, characterized in that the reflective Surfaces of the additional plane mirrors, for the portion A, are parallel and likewise the reflective surfaces of the additional flat mirrors, for portion 3, parallel are. 3. LSI nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zusätzlichen ebenenSpiegel, die auf der ersten Basis montiert sind und/oder die Spiegel, die auf der zweiten Basis montiert sind, durch ein einzelnes Prisma, dessen Dachflächen verspiegelt sind und die Funktion der Einzelspiegel übernehmen, ersetzen lassen.3. LSI according to claim 1 and 2, characterized in that the additional planar mirrors mounted on the first base and / or the Mirrors mounted on the second base, through a single prism, its Roof surfaces are mirrored and take over the function of the individual mirrors, replace permit.