Point Diffraction Interferometer

ASTRO ELECTRONIC
Dipl.-Ing. Michael Koch
Raabestr. 43 D-37412 Herzberg Germany
Tel: +49 (0)5521 854265 Fax: +49 (0)5521 854266
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Point Diffraction Interferometer (PDI)

PDI-Platten Typ 1 PDI Plates Type 1

Spezifikation:
Transmission: ca. 1.8% bei 650nm, bei kürzerer Wellenlänge ist es weniger.
Durchmesser: 20mm
Dicke: 2mm
Material: Fused Silica (Quarzglas)
Beschichtung: Chrom
Herstellungsverfahren: Elektronenstrahl-Lithografie
Antireflex-Beschichtung der Rückseite: keine
Lochdurchmesser: 2µm, 5µm, 10µm, 20µm, 50µm,100µm, 200µm
Anzahl der Löcher: jeweils 5 Stück von jedem Durchmesser
Abstand zwischen den Löchern innerhalb einer Gruppe: 0.6mm bei 200µm, 0.25mm bei allen anderen Durchmessern

Preis:
75 EUR incl. MwSt, plus 3 EUR Porto

Hinweise:
Diese PDI Platten sind gut geeignet um Interferogramme mit relativ wenigen Linien zu machen.
Für Interferogramme mit mehr Linien müsste die Transmission kleiner sein. Wenn Sie versuchen mehr Linien zu erzeugen, dann treten zwei Probleme auf:
1. Der Kontrast verschlechtert sich
2. Es treten Linien auf, die von dem benachbarten Loch stammen.

Specification:
Transmittance: about 1.8% at 650nm, less at smaller wavelength
Diameter: 20mm
Thickness: 2mm
Material: Fused Silica
Coating: Chrome
Process: Electron beam lithography
Antireflection coating of back side: none
Diameter of pinholes: 2µm, 5µm, 10µm, 20µm, 50µm, 100µm, 200µm
Number of pinholes: 5 of each diameter
Distance between pinholes within a group: 0.6m for 200µm holes, 0.25mm for all other holes.

Price:
75.00 EUR including VAT for deliveries in the EU, plus 4 EUR for air mail
63 EUR for overseas orders, plus 6 EUR for air mail

Please note:
These PDI plates are suitable for interferograms with few fringes. For interferograms with more fringes the transmittance should be smaller. When you try to get more fringes, there are two problems:
1. The fringe contrast becomes bad.
2. There appear fringes from the next pinhole.

Neue PDI-Platten Typ 2 New PDI Plates Type 2

Bei den neuen PDI-Platten Typ 2 wurden gegenüber der ersten Serie einige Dinge verbessert:
-- Geringere Transmission 0.2% bei 650nm
-- Antireflex-Beschichtung auf der Rückseite
-- grösserer Abstand zwischen den Löchern, 1mm
-- kleinste Löcher ab 1.0 µm
-- feiner abgestufte Durchmesser
-- Ein Fenster für den Phasenkontrast-Test
-- Der Preis konnte gesenkt werden.

This new series of PDI plates has some improvements over the frist series:
-- smaller transmission 0.2% at 650nm
-- antireflex coating on the back side
-- bigger distance between pinholes, 1mm
-- smallest pinholes 1.0µm
-- smaller diameter steps
-- a window for phase contrast test
-- lower price

Spezifikation:
Transmission: Chrom 0.2% bei 650nm, weniger als 0.2% bei kürzeren Wellenlängen
Abmessungen: 10mm x 18mm x 2mm
Material: Fused Silica (Quarzglas)
Herstellungsverfahren: Elektronenstrahl-Lithografie
Die Rückseite ist antireflex-beschichtet für 532nm
Lochdurchmesser in µm: 1.0, 1.6, 2.5, 4.0, 6.3, 10, 16, 25, 40, 63, 100
Fenster für Phasenkontrast-Test: 3mm x 1mm
Anzahl der Löcher: jeweils 5 Stück pro Durchmesser
Abstand zwischen den Löchern: 1.0mm
Preis: 50.- EUR incl. MwSt, plus 4.- EUR Versand innerhalb Deutschland, für andere Länder bitte anfragen

Specification:
Transmission: 0.2% at 650nm, less than 0.2% at shorter wavelenghts.
Dimensions: 10mm x 18mm x 2mm
Material: Fused Silica
Process: Electron beam lithography
Antireflection coating of back side: for 532nm
Diameter of pinholes in µm: 1.0, 1.6, 2.5, 4.0, 6.3, 10, 16, 25, 40, 63, 100
Number of pinholes: 5 of each diameter
Distance between pinholes: 1.0mm
Window for Phase Contrast Test: 3mm x 1mm
Price: 50.- EUR including VAT for deliveries in the EU,
42.- EUR for overseas orders, please ask for shipping cost.

Dieses Laser-Modul habe ich für meine Versuche mit dem PDI-Interferometer verwendet.
Die Linse kann sehr einfach entfernt werden, indem man den vorderen Teil des Messing-Gehäuses mit einer Zange abdreht.
Bei älteren Modulen konnte man die Laserdiode relativ einfach aus dem Messing-Gehäuse herausgedrücken. Bei den aktuell erhältlichen Modulen geht das leider nicht mehr so einfach.
Die Diode hat kein optisches Fenster vor dem Laser-Kristall. Das ist für unsere Zwecke von Vorteil, weil ein Fenster zusätzliche Wellenfront-Fehler erzeugen könnte.

Mit der Original-Elektronik läuft der Laser an 3-4.5V Gleichspannung, dr Minuspol muss an die Kontaktfeder und der Pluspol an das Messing-Gehäuse. Wenn man die Original-Elektronik entfernt, kann man die Laserdiode über einen Vorwiderstand direkt an eine Gleichspannung legen. Im Bereich bis etwa 12mA verhält sich die Laserdiode wie eine LED, im Bereich von etwa 12mA bis 20mA wird dann schmalbandige Laserstrahlung bei etwa 652nm erzeugt. Die Lichtaustritts-Fläche ist etwa 7µm * 14µm groß. Die Interferogramme sehen besser aus, wenn man die Laserdiode im LED-Modus betreibt. Für 12V Betriebsspannung empfehle ich einen 470 Ohm Festwiderstand in Reihe mit einem 1kOhm Potenziometer. Anode = Plus, Cathode = Minus

Unbearbeitetes Laser-Modul mit Linse: 10.- EUR incl. MwSt

Fertig verdrahtete Laserdiode mit Schutzschaltung und Helligkeitsregler, Beriebsspannung 12V Gleichspannung, das Messing-Gehäuse ist bereits entfernt: 30.- EUR incl. MwSt.

This is the laser module that I used for my PDI experiments.
The lens can easily be removed, just turm out the front part of the brass housing with pliers.
It's not easy to press the laser diode out of the brass housing. The diode has no optical window in ront of the laser crystal. This is advantageous for our purpose, because every window could introduce additional aberrations.

With the original electronics the laser runs off a 3-4.5V Battery. The minus pole is at the spring and the plus pole is at the brass housing. If you remove the original electronics, you can operate the diode over a resistor from a DC voltage. Up to about 12mA the diode operates in LED mode, from about 12mA to 20mA it operates in lasing modeat 652nm. The size of the light emitting area is about 7µm * 14µm. The interferograms look cleaner if you use LED mode. For 12V supply voltage I recommend a fixed 470 Ohms resistor in series with a 1kOhms potentiometer. Anode = Plus, Cathode = Minus

Laser module, as shown in picture: 10.- EUR including VAT for deliveries in the EU, 8.40 EUR for overseas orders

Laser Diode without brass housing, with brightness control and protection circuit, 12V DC: 30.- EUR including VAT for deliveries in the EU, 25.- EUR for overseas orders,

Der Taster liegt zwischen den Pins A und B. Dabei ist A der Minus-Anschluss und mit der Feder verbunden. Wenn man den Minus-Anschluss nicht an die Feder, sondern direkt an Pin B lötet, dann ist der Taster wirkungslos und der Laser leuchtet ständig.

The pushbutton is wired between pins A and B. The spring is the negative supply terminal and connected to A. If you solder the negative supply not to the spring, but to pin B, then the pushbutton is out of order and the laser is always on.

	Typisches Spektrum der Laser-Diode oberhalb der Laser-Schwelle, hier 653nm. Typical spectrum of the laser diode above the laser threshold, peak at 653nm.
	Typisches Spektrum der Laser-Diode unterhalb der Laser-Schwelleim LED-Modus. Typical spectrum of the laser diode below the laser threshold, in LED mode.

	Hier wird beschrieben wie man die Laser-Diode aus dem Messing-Gehäuse ausbauen kann. Zuerst wird die Linse abgeschraubt. Here I describe how to remove the laser diode from the brass housing. First screw off the lens.
	Dann wird das Modul mit der Elektronik nach oben in einen kräftigen Schraubstock eingespannt, und zwar genau so hoch wie auf dem Bild zu sehen. Then clamp the brass housing in a heavy vice, the electronics pointing upwards. Clamp exactly at the same height as seen in this picture.
	Dann wird der untere Teil der Messing-Hülse etwa 1mm zusammen gedrückt. Dadurch weitet sich der obere Teil der Hülse etwas auf. Press the housing about 1mm together.
	Dann wird die Hülse um 90° im Schraubstock verdreht und nochmal 1mm zusammen gedrückt. Jetzt kann man die Laser-Diode ganz leicht nach oben rausziehen. Die Anwendung dieser Methode erfolgt auf eigene Gefahr ! Turn the module 90° in the vice and again press it about 1mm together. Now you can easily remove the diode. If you follow these instructions, you do this at your own risk !

XYZ-Halterung, gut geeignet für den Aufbau eines Point Diffraction Interferometers

-- Verstellweg ca. 12.7mm in jeder der drei Achsen
-- Feinverstellung 0.5mm pro Umdrehung
-- Länge ca. 120mm, Breite ca. 100mm, Höhe ca. 70mm
-- Grundplatte und obere Platte 60mm x 60mm
-- Gewicht ca. 720g

Preis: 190.- EUR incl. MwSt.

XYZ Stage, suitable for selfmade Point Diffraction Interferometers

-- travel range is about 12.7mm in each axis
-- Fine adjustment 0.5mm per revolution
-- Length about 120mm, Width about 100mm, Height about 70mm
-- Base plate and moving plate 60mm x 60mm
-- Weight about 720g

Price 190.- EUR incl. VAT for deliveries in the EU, or 160.- EUR for overseas orders

Einige Anwendungs-Beispiele: Some Applications:

So kann ein fertiges Point Diffraction Interferometer aussehen. An dem Aluminium-Winkel ist die Laserdiode und das PDI-Plättchen befestift.

This is an example of a ready-to-use point diffraction interferometer. The aluminium bracket holds the laser diode and the PDI plate.

Dies ist ein Point Diffraction Interferometer. Es besteht im Wesentlichen aus vier Teilen:
-- CCD Kamera mit Zoom-Objektiv
-- Rote Laserdiode ohne Optik
-- Eine Point Diffraction Platte (Typ 1)
-- 3-Achsen Montierung mit Mikrometerschrauben
Das Funktionsprinzip ist z.B. in
Malacara, "Optical Shop Testing"
beschrieben.

This is a point diffracton interferomter. Basically it consists of four parts:
-- CCD camera with zoom objective
-- red laser diode without optics
-- a point diffraction plate (type 1)
-- a 3-axis mount with micrometer screws
The working principle is described in
Malacara, "Optical Shop Testing"

An den drei Reglern kann man einstellen:
-- Belichtungszeit der Kamera
-- Verstärkung der Kamera
-- Helligkeit der Laserdiode (von LED-Betrieb unterhalb der Laser-Schwelle, bis zu voller Laser-Helligkeit)
Das Zoom-Objektiv wird gebraucht um Spiegel mit unterschiedlichem Öffnungsverhältnis formatfüllend abbilden zu können.
Hinweise zur Dimensionierung:
-- Die PDI Platte muss möglichst dicht vor das Objektiv, sonst kann es sein dass nicht das ganze Interferogramm sichtbar wird.
-- Die Chromschicht der PDI Platte muss zum Prüfling zeigen
-- Wenn die Laserdiode unterhalb der Laser-Schwelle betrieben wird (als LED) dann sind weniger störende Artefakte im Bild sichtbar.
-- Es könnte sinnvoll sein, die PDI Platte um ein paar Grad zu verkippen, um störende Reflexe zu verhindern. Das habe ich aber noch nicht ausprobiert.
The functions of the three knobs are:
-- exposure time of the camera
-- gain adjustment of the camera
-- brightness of laser diode (from LED mode to full laser brightness)
The purpose of the zoom objective is to adjust the field of view to the focal ratio of the mirror under test.
Some hints for dimensioning the interferometer:
-- the PDI plate must be as close as possible to the objective. Otherwise it might be impossible to image the whole interferogram.
-- The Chrome layer of the PDI plate must face towards the mirror under test.
-- Spurious artifacts can be reduced by operating the laser diode with a smaller current in LED mode.
-- It might be possible to reduce spurious fringes and reflections by tilting the PDI plate a few degrees. I haven't tested this yet.

Dieses Bild zeigt die Point Diffraction Platte, die von Martti Koskimo entwickelt wurde.
Es ist eine Quarzglas-Platte mit 20mm Durchmesser und 2mm Dicke, die auf der Vorderseite mit einer Chromschicht bedampft ist. Diese Schicht hat ca. 1.8% Transmission bei 650nm und enthält Gruppen von jeweils 5 Löchern in den folgenden Durchmessern: 2µm, 5µm, 10µm, 20µm, 50µm, 100µm, 200µm
Die grössten Löcher sieht man sogar in diesem Bild. Innerhalb eine Gruppe haben die Löcher 0.25mm Abstand, bzw. 0.6mm bei den 200µm Löchern.
Oben und unten sind noch Markierungslinien in der Chromschicht, damit man die kleinen Löcher besser findet. Man braucht zwar nur ein Loch von jeder Grösse, aber es ist sinnvoll ein paar Ersatzlöcher zu haben, falls mal ein Loch unbrauchbar wird wenn ein Staubkorn draufliegt.
Die PDI Platte ist mit zwei Tropfen Silikonkleber an der Montageplatte befestigt.
Rechts sieht man die Laserdiode, die in möglichst geringem Abstand zur PDI Platte angebracht wird, um Off-Axis Fehler zu minimieren. Es ist eine rote Laserdiode ohne Optik, die den zu testenden Spiegel gleichmässig ausleuchtet.
Welches Loch verwendet werden muss, hängt vom Öffnungsverhältnis des Lichtkegels ab (nicht vom Öffnungsverhältnis des zu testenden Spiegels). Der Durchmesser des Loches muss kleiner sein als das Beugungsscheibchen: D < 2.44 lambda N
mit lambda = Wellenlänge des Lichts (hier 650nm), und N = Öffnungsverhältnis des Lichtkegels
Die gleiche Formel gilt auch für die maximal zulässige Grösse der Lichtquelle.
This picture shows the point diffraction plate, which was designed by Martti Koskimo.
It's a fused silica plate with 20mm diameter and 2mm thickness, which is coated with a thin Chrome layer on the front surface. The transmittance is about 1.8% at 650nm, and there are clusters of 5 holes with the following diameters: 2µm, 5µm, 10µm, 20µm, 50µm, 100µm, 200µm
The biggest holes are even visible in this picture. Within a cluster the distance between the holes is 0.6mm for the 200µm holes, and 0.25mm for all other holes.
There are also thick lines in the Chrome layer, which make it easier to find the small holes.
Normally we need only one hole of each size, but it's a good idea to have several of them, just in case that a piece of dust makes a hole unusable.
The PDI plate is mounted on an Aluminium plate by two drops of silicone glue.
Right of the PDI plate you see the laser diode, which is mounted as close as possible to the PDI plate to minimize off-axis errors. There is no optics in front of the laser diode, so that the mirror under test is illuminated evenly.
Which hole diameter to use depends on the focal ratio of the light cone (not the focal ratio of the mirror under test). The diameter of the hole must be smaller than the diameter of the Airy disk: D < 2.44 lambda N
where lambda is the light wavelength (here 650nm) and N is the focal ratio of the light cone.
The same formula applies to the maximum size of the light source.

So sieht ein typisches PDI-Interferogramm eines unbeschichteten 10" f/5.9 Spiegels aus. Es wurde ein 10µm Loch verwendet.
Der vertikale dunkel-hell Gradient kommt nur daher, dass das Bild vom Video-Monitor abfotografiert wurde.
Die kleinen Kringel entstehen durch Staub im Zoom-Objektiv.

This is a typical PDI interferogram of an uncoated 10" f/5.9 mirror.
The 10µm hole was used.
The vertical dark-bright gradient comes only from taking the picture from a video screen.
The small circles are caused by dust in the zoom objective.

Gleicher Spiegel wie oben, aber jetzt mit 20µm Loch.
Der dunkle Streifen am unteren Bildrand entsteht durch das Abfotografieren vom Bildschirm.
Die Belichtungszeit der Videokamera beträgt 1/1000 sec.

Same mirror as above, but now with a 20µm hole.
The dark stripe at the bottom is caused by taking the picture from the video screen.
Exposure time 1/1000 second.

Gleicher Spiegel wie oben, 20µm Loch.
Im Unterschied zum vorigen Bild wurde der Strom durch die Laserdiode soweit reduziert, dass sie nur noch als LED arbeitet.
Um die geringere Helligkeit auszugleichen wurde die Belichtungszeit der Video-Kamera auf 1/125 sec verlängert und der Verstärkungsfaktor der Kamera erhöht.

Same mirror as above, 20µm hole.
The difference to the previous picture is the smaller current in the laser diode, which is operating in LED mode now.
To compensate for the smaller brightness, the exposure time of the video camera was increased to 1/125 second, and the gain of the camera was increased as well.

Dies ist ein sphärischer 18" f/4.2 Spiegel mit Aluminium-Beschichtung.
Es wurde ein 10µm Loch verwendet.
Das Point Diffraction Interferometer kann sowohl für unbeschichtete wie auch für beschichtete Spiegel verwendet werden, weil beide Wellen (Referenzwelle und Testwelle) vom Spiegel reflektiert werden.
Bei beschichteten Spiegeln muss einfach nur die Belichtungszeit kleiner eingestellt werden, oder die Laserdiode muss dunkler eingestellt werden.
Wie bereits erwähnt kommt der vertikale dunkel-hell Gradient und der dunkle Streifen am unteren Bildrand nur vom Abfotografieren vom Bildschirm.

This is a spherical 18" f/4.2 mirror with Aluminium coating.
A 10µm hole was used.
The point diffraction interferometer can be used for coated and uncoated mirrors. When testing a coated mirror, simply choose a shorter exposure time or dim the laser diode.
As already noted, the vertical dark-bright gradient and the dark stripe at the bottom are only caused by taking the picture from the video screen.

Man kann sich die PDI Platte auch in eine Okular-Steckhülse einbauen und dann Weisslicht-Interferogramme direkt am Fernrohr machen. Als Lichtquelle dient ein heller Stern.
Um Off-Axis Fehler zu vermeiden kann man die PDI Platte verschiebbar anordnen, so dass sich das passende Loch genau auf der optischen Achse befindet.
Der erste Test am Fernrohr war allerdings mit zahlreichen Schwierigkeiten verbunden:
-- man braucht perfektes Seeing
-- selbst wenn man einen hellen Stern verwendet, ist das Interferogramm ziemlich dunkel
-- die Nachführung muss perfekt laufen
-- die zentrale Obstruktion erschwert das Auffinden der kleinen Löcher
-- eine eventuell vorhandene seitliche Fokus-Verschiebung (beim Schmidt-Cassegrain) stört sehr.
Fazit: Ich habe zwar Interferenzstreifen gesehen, aber der Labor-PDI-Test mit Laserdiode ist viel einfacher.
It's also possible to mount the PDI plate on a 1 1/4" tube and make white light interferograms directly at the telescope. A bright star serves as the light source.
To avoid off-axis errors you can mount the PDI plate free to slide, so that the suitable pinhole is exactly on the optical axis.
During the first test at the telescope I encountered a lot of difficulties:
-- the seeing must be perfect
-- even when using a bright star, the interferogram will be quite dark
-- the mount must track the star perfectly
-- the central obstruction makes it difficult to find the small pinholes
-- the lateral focus shift (in Schmidt-Cassegrain) is very disturbing
Bottom line: Although I saw interference fringes, I must admit that the laboratory PDI test with laser diode is much easier.

Das Point Diffraction Interferometer mit der neuen PDI-Platte Typ 2
Die Verstellmöglichkeit der PDI-Platte in vertikaler Richtung ist nicht unbedingt notwendig. Es genügt, wenn das ganze Interferometer in drei Achsen verschiebbar ist.

The Point Diffraction Interferometer with the new PDI plate type 2
The vertical movement of the PDI plate isn't necessary. It's sufficient if the whole interferometer can be moved in three axes.

So sieht ein typisches PDI-Interferogramm eines unbeschichteten 10" f/5.9 Spiegels aus. Es wurde ein 10µm Loch verwendet. Direkt vom Video-Bildschirm abfotografiert.

This is a typical PDI interferogram of an uncoated 10" f/5.9 mirror.
The 10µm hole was used. Picture taken directly from the video screen.

So sieht das Interferogramm des gleichen Spiegels aus, wenn mehr Streifen eingestellt werden. Ein 10µm Loch wurde verwendet.

This is an interferogram of the same mirror, with more fringes. The 10µm hole was used.

	So sieht ein typisches PDI-Interferogramm eines unbeschichteten 10" f/5.9 Spiegels aus. Es wurde ein 10µm Loch verwendet. Der vertikale dunkel-hell Gradient kommt nur daher, dass das Bild vom Video-Monitor abfotografiert wurde. Die kleinen Kringel entstehen durch Staub im Zoom-Objektiv. This is a typical PDI interferogram of an uncoated 10" f/5.9 mirror. The 10µm hole was used. The vertical dark-bright gradient comes only from taking the picture from a video screen. The small circles are caused by dust in the zoom objective.
	Gleicher Spiegel wie oben, aber jetzt mit 20µm Loch. Der dunkle Streifen am unteren Bildrand entsteht durch das Abfotografieren vom Bildschirm. Die Belichtungszeit der Videokamera beträgt 1/1000 sec. Same mirror as above, but now with a 20µm hole. The dark stripe at the bottom is caused by taking the picture from the video screen. Exposure time 1/1000 second.
	Gleicher Spiegel wie oben, 20µm Loch. Im Unterschied zum vorigen Bild wurde der Strom durch die Laserdiode soweit reduziert, dass sie nur noch als LED arbeitet. Um die geringere Helligkeit auszugleichen wurde die Belichtungszeit der Video-Kamera auf 1/125 sec verlängert und der Verstärkungsfaktor der Kamera erhöht. Same mirror as above, 20µm hole. The difference to the previous picture is the smaller current in the laser diode, which is operating in LED mode now. To compensate for the smaller brightness, the exposure time of the video camera was increased to 1/125 second, and the gain of the camera was increased as well.
	Dies ist ein sphärischer 18" f/4.2 Spiegel mit Aluminium-Beschichtung. Es wurde ein 10µm Loch verwendet. Das Point Diffraction Interferometer kann sowohl für unbeschichtete wie auch für beschichtete Spiegel verwendet werden, weil beide Wellen (Referenzwelle und Testwelle) vom Spiegel reflektiert werden. Bei beschichteten Spiegeln muss einfach nur die Belichtungszeit kleiner eingestellt werden, oder die Laserdiode muss dunkler eingestellt werden. Wie bereits erwähnt kommt der vertikale dunkel-hell Gradient und der dunkle Streifen am unteren Bildrand nur vom Abfotografieren vom Bildschirm. This is a spherical 18" f/4.2 mirror with Aluminium coating. A 10µm hole was used. The point diffraction interferometer can be used for coated and uncoated mirrors. When testing a coated mirror, simply choose a shorter exposure time or dim the laser diode. As already noted, the vertical dark-bright gradient and the dark stripe at the bottom are only caused by taking the picture from the video screen.