Punktdiffraktionsinterferometer

Figur 1: Grundläggande layout av ett PDI-system, där referensstrålen genereras av ett nålhål etsat på en halvtransparent film

En punktdiffraktionsinterferometer (PDI) är en typ av interferometer med gemensam väg . Till skillnad från en amplituddelande interferometer, såsom en Michelson-interferometer , som separerar en oberrerad stråle och stör denna med teststrålen, genererar en gemensam väg-interferometer sin egen referensstråle. I PDI-system färdas test- och referensstrålarna samma eller nästan samma väg. Denna design gör PDI extremt användbar när miljöisolering inte är möjlig eller en minskning av antalet precisionsoptik krävs. Referensstrålen skapas från en del av teststrålen genom diffraktion från ett litet nålhål i en halvtransparent beläggning. Principen för en PDI visas i figur 1.

Enheten liknar ett spatialfilter . Infallande ljus fokuseras på en halvtransparent mask (cirka 0,1 % transmission). I mitten av masken finns ett hål ungefär lika stort som Airy-skivan , och strålen fokuseras på detta hål med en Fourier-transformerande lins. Den nollte ordningen (de låga frekvenserna i Fourierrymden ) passerar sedan genom hålet och stör resten av strålen. Transmissionen och hålstorleken väljs för att balansera intensiteten hos test- och referensstrålarna. Enheten liknar i sin funktion faskontrastmikroskopi .

Utveckling i PDI-system

Figur 2: Fizeau-interferometer kräver en referensoptik. Det är mycket viktigt att referensoptiken (platt) är nära perfekt eftersom den i hög grad påverkar den uppmätta ytformen hos ett testobjekt.

PDI-system är ett värdefullt verktyg för att mäta absoluta ytegenskaper hos ett optiskt eller reflekterande instrument på ett icke destruktivt sätt. Den gemensamma vägdesignen eliminerar alla behov av att ha en referensoptik, som är känd för att överlappa den absoluta ytformen för ett testobjekt med dess egna ytformfel. Detta är en stor nackdel med ett dubbelvägssystem, såsom Fizeau-interferometrar, som visas i figur 2. På liknande sätt är den gemensamma vägdesignen motståndskraftig mot omgivningsstörningar.

De viktigaste kritikerna mot den ursprungliga designen är (1) att den erforderliga lågtransmissionen minskar effektiviteten, och (2) när strålen blir för aberrerad, reduceras intensiteten på axeln och mindre ljus är tillgängligt för referensstrålen, leder till förlust av franskontrast. Sänkt överföring var förknippat med sänkt signal-brusförhållande. Dessa problem är till stor del övervunna i fasskiftande punktdiffraktionsinterferometerkonstruktioner, i vilka ett gitter eller stråldelare skapar flera identiska kopior av strålen som infaller på en ogenomskinlig mask. Teststrålen passerar genom ett något stort hål eller öppning i membranet, utan förluster på grund av absorption; referensstrålen fokuseras på nålhålet för högsta transmission. I det gitterbaserade fallet åstadkommes fasförskjutning genom att översätta gittret vinkelrätt mot reglerna, medan flera bilder spelas in. Den fortsatta utvecklingen inom fasskiftande PDI har uppnått noggrannhetsordningar större än standard Fizeau-baserade system.

Fasskiftande [se Interferometri ] versioner har skapats för att öka mätupplösningen och effektiviteten. Dessa inkluderar en diffraktionsgitter-interferometer från Kwon och Phase-Shifting Point Diffraction Interferometer.

Typer av fasskiftande PDI-system

Fasskiftande PDI med enkelt nålhål

Figur 3: Design av fasskiftande punktdiffraktionsinterferometer föreslagen av Gary Sommargren

Gary Sommargren föreslog en punktdiffraktionsinterferometerdesign som direkt följde från den grundläggande designen där delar av den diffrakterade vågfronten användes för testning och den återstående delen för detektion som visas i figur 3. Denna design var en stor uppgradering av befintliga system. Schemat kunde noggrant mäta den optiska ytan med variationer på 1 nm. Fasförskjutningen erhölls genom att förflytta testdelen med ett piezoelektriskt translationssteg. En oönskad bieffekt av att flytta testdelen är att defokuseringen också rör sig och förvränger fransarna. En annan nackdel med Sommargrens tillvägagångssätt är att den ger låga kontrastfransar och ett försök att reglera kontrasten modifierar också den uppmätta vågfronten.

PDI-system som använder optiska fibrer

I denna typ av punktdiffraktionsinterferometer är punktkällan en enkelmodsfiber. Ändytan är avsmalnad för att likna en kon och är täckt med metallfilm för att minska ljusspillet. Fiber är anordnade så att de genererar sfäriska vågor för både testning och referens. Änden av en optisk fiber är känd för att generera sfäriska vågor med en noggrannhet större än $\lambda \diagup 2000$ . Även om optiska fiberbaserade PDI:er ger vissa framsteg jämfört med det enda pinhole-baserade systemet, är de svåra att tillverka och anpassa.

Figur 4: Tvåstråle fasförskjutningspunktsdiffraktionsinterferometer, där referensstrålen kan regleras oberoende för fasförskjutning och kontrastreglering

Två-stråle fasskiftande PDI

Två-stråle PDI ger en stor fördel jämfört med andra system genom att använda två oberoende styrbara balkar. Här är teststrålen och referensstrålen vinkelräta mot varandra, där referensintensiteten kan regleras. På liknande sätt kan en godtycklig och stabil fasförskjutning erhållas i förhållande till teststrålen som håller testdelen statisk. Schemat som visas i figur 4 är lätt att tillverka och ger användarvänliga mätförhållanden liknande interferometrar av Fizeau-typ. Samtidigt ger följande ytterligare fördelar:

1. Testdelens absoluta ytform.
2. Hög numerisk bländare (NA = 0,55).
3. Tydliga fransmönster med hög kontrast.
4. Hög noggrannhet för testning av ytform (vågfronts RMS-fel 0,125 nm).
5. Vågfront RMS repeterbarhet 0,05 nm.
6. Kan mäta depolariserande testdelar.

Enheten är självrefererande, därför kan den användas i miljöer med mycket vibrationer eller när ingen referensstråle är tillgänglig, till exempel i många adaptiv optik och kortvågsscenarier.

Absolut ytform erhållen genom fasskiftande interferometri med användning av en industriell punktdiffraktionsinterferometer tillverkad av Difrotec

Tillämpningar av PDI

Interferometri har använts för olika kvantitativ karakterisering av optiska system som indikerar deras totala prestanda. Traditionellt Fizeau-interferometrar använts för att detektera optiska eller polerade ytformer, men nya framsteg inom precisionstillverkning har möjliggjort industriell punktdiffraktionsinterferometri. PDI är speciellt lämpad för mätningar med hög upplösning och hög noggrannhet i laboratorieförhållanden till bullriga fabriksgolv. Brist på referensoptik gör metoden lämplig för att visualisera absolut ytform av optiska system. Därför är en PDI unikt lämplig för att verifiera referensoptiken för andra interferometrar. Det är också oerhört användbart för att analysera optiska sammansättningar som används i laserbaserade system. Karakteriserande optik för UV-litografi. Kvalitetskontroll av precisionsoptik. Verifiering av den faktiska upplösningen för en optisk enhet. Mätning av vågfrontskartan producerad av röntgenoptik. PS-PDI kan också användas för att verifiera nominell upplösning av rymdoptik innan installation.

Se även

• Interferometri

externa länkar

• Se till att rymdkameran är redo för jobbet före driftsättning : En fallstudie av interferometertillverkaren Difrotec OÜ.