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Die
Erfindung betrifft einen Stufenkörper
für den
Einsatz in einem Interferometer, mit einer gestuften Seite, wobei
jede Stufe eine für
das Auftreffen von Licht vorgesehene Auftrittsfläche aufweist sowie eine Verwendung
des Stufenkörpers
bei einem Verfahren zur interferometrischen Messung.
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Ein
Stufenkörper
der vorgenannten Art sowie ein zur absoluten Abstandsmessung vorgesehenes interferometrisches
Verfahren sind aus der
DE
195 20 305 A1 bekannt. Danach wird in einer ersten Interferometereinheit
ein Messlichtstrahl an einem Messobjekt reflektiert, das sich in
einem bestimmten zu ermittelnden Abstand zu einem Referenzobjekt,
nämlich
einem Strahlteiler der ersten Interferometereinheit, befindet. Dieser
Abstand erzeugt zwischen Referenzlichtstrahl und Messlichtstrahl
einen optischen Wegstreckenunterschied, der dem doppelten zu ermittelnden
Abstand entspricht. Referenzlichtstrahl und Messlichtstrahl werden
einer zweiten Interferometereinheit zugeführt. Die zweite Interferometereinheit
weist einen ersten und einen zweiten Strahlengang auf. Auf Grund
unterschiedlicher Längen
in den optischen Wegen der beiden Strahlengänge wird in der zweiten Interferometereinheit
der in der ersten Interferometereinheit erzeugte Wegstreckenunterschied
zwischen einem Anteil des Referenzlichtstrahls und dem Messlichtstrahl
ausgeglichen, so dass diese in der zweiten Interferometereinheit
miteinander interferieren können.
Im ersten Strahlengang ist der Stufenkörper angeordnet und wird von dem
den ersten Strahlengang durchlaufenden Anteil des Referenzlichtstrahls
und des Messlichtstrahls im Bereich eines Stufenfeldes vollständig ausgeleuchtet.
Die unterschiedlichen Stufen des Stufenkörpers erzeugen unterschiedliche
optische Wegstrecken im ersten Strahlengang. Somit interferiert
auf Grund der kurzen Kohärenzlänge des
eingesetzten Lichtes lediglich der Anteil des Referenzlichtstrahls
mit dem Messlichtstrahl, der an dem die geeignete optische Wegstrecke
erzeugenden Ort am Stufenkörper
reflektiert wurde. Die Messinterferenz wird zusammen mit der Reflexionsfläche des
Stufenkörpers
in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene optisch auf das Bildsensorfeld
des Detektors abgebildet. In dieser Abbildung kann die die Messinterferenz
erzeugende Reflexionsstelle am Stufenkörper ermittelt und hieraus
sowie aus den bekannten optischen Wegstreckenlängen unmittelbar auf den zu
bestimmenden Abstand geschlossen werden. Der Stufenkörper kann
je nach Aufbau der zweiten Interferometereinheit ein Stufenspiegel
sein oder als lichtdurchlässiger Strahlteilerkörper ausgebildet
sein. Des weiteren ist es offenbart, den Stufenkörper so anzuordnen, dass die
Auftrittsflächen
der Stufen verkippt, das heißt nicht
rechtwinklig zur optischen Achse verlaufen. Die Neigung zur optischen
Achse wird in der Regel abhängig
von den Stufen so gewählt,
dass ein kontinuierlicher Messbereich abgedeckt wird, das heißt verändert sich
der zu messende Abstand derart, dass die Messinterferenz das Ende
der Auftrittsfläche
einer Stufe erreicht, würde
die Messinterferenz gleichzeitig auf eine der beiden benachbarten
Stufen und dort am gegenüberliegenden
Ende erscheinen. Alternativ oder auch zusätzlich zur Verkippung können die Stufen
in sich nochmals gestuft sein, wobei die Richtung dieser Unterstufung
senkrecht zu der der Hauptstufung ist.
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Bei
einer computerprogrammgestützten Auswertung
des Referenzsignals können
sich beim Übergang
des Messinterferenzsignals von der Auftrittsfläche einer Stufe auf die Auftrittsfläche einer
benachbarten Stufe Unsicherheiten ergeben, da sich das Messinterferenzsignal
entweder teilt oder doppelt auftritt. Hierdurch können „blinde" Bereiche innerhalb
des Messbereiches entstehen.
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Es
ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stufenkörper der
eingangs genannten Art sowie eine Verwendung des Stufenkörpers bei
einem Verfahren zur interferometrischen Messung bereitzustellen,
mit dem eine sichere Detektion über den
gesamten Messbereich gewährleistet
werden kann.
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Bei
einem Stufenkörper
der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die
Auftrittsflächen
mindestens eine durchgehende Serpentine bilden.
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Für die Bildung
einer durchgehenden Serpentine müssen
die Auftrittsflächen
benachbarter Stufen – anders
als im Stand der Technik – zumindest streckenweise
geneigt zueinander sein. Bei einer Serpentine können die Messinterferenzen
stufenlos über
den gesamten Messbereich verfolgt werden. Die oben angesprochenen
Unsicherheiten treten nicht auf.
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Des
Weiteren kann der erfindungsgemäße Stufenkörper so
ausgebildet sein, dass die Auftrittsflächen spiegelnd sind. Alternativ
könnte
der erfindungsgemäße Stufenkörper auch
ein teiltransparenter Strahlteiler sein.
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Die
Aufgabe wird bei einer Verwendung des Stufenkörpers bei einem Verfahren zur
interferometrischen Messung gelöst,
bei dem
- a) mittels einer ersten Interferometereinheit
ein Quellstrahl einer kurzkohärentes
oder inkohärentes
Licht emittierenden Lichtquelle in einen Referenzlichtstrahl und
einen Messlichtstrahl aufgeteilt wird,
- b) Referenzlichtstrahl und Messlichtstrahl in einer zweiten
Interferometereinheit jeweils in zwei Teilstrahlen aufgeteilt werden,
- c) einer der Referenzlichtteilstrahlen und einer der Messlichtteilstrahlen
einen ersten Strahlengang durchlaufen und dabei an dem mindestens
eine Serpentine aufweisenden Stufenkörper reflektiert werden, wobei
die optische Wegstrecke im ersten Strahlengang vom Ort der Reflexion
auf dem Stufenkörper
abhängt,
- d) der andere Referenzteilstrahl und der andere Messlichtteilstrahl
einen zweiten Strahlengang der zweiten Interferometereinheit durchlaufen,
- e) sämtliche
Teilstrahlen einem Detektor zugeführt werden, der sich am Ende
einer beiden Strahlengängen
gemeinsamen Interferenzstrecke befindet,
- f) die Auftrittsflächen
der mindestens einen Serpentine optisch auf ein Bildsensorfeld des
Detektors abgebildet werden, und
- g) die Position der Abbildung von einer zwischen Referenzlichtstrahl
und Messlichtstrahl auftretenden Messinterferenz in der Abbildung
der mindestens einen Serpentine auf dem Detektor zur Messung herangezogen
wird.
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Ist
die optische Wegstrecke im ersten Strahlengang länger als die optische Wegstrecke
im zweiten Strahlengang der zweiten Interferometereinheit erzeugen
der den ersten Strahlengang durchlaufende Teilstrahl des Referenzlichtstrahls
sowie der den zweiten Strahlengang durchlaufende Teilstrahl des Messlichtstrahls
die Messinterferenz. Alternativ hierzu kann durch eine andere Positionierung
des Stufenkörpers
die optische Wegstrecke im ersten Strahlengang kürzer als die optische Wegstrecke
im zweiten Strahlengang sein. Die Messinterferenz wird in diesem
Fall also von dem den ersten Strahlengang durchlaufenden Teilstrahl
des Messlichtstrahls und dem den zweiten Strahlengang durchlaufenden
Teilstrahl des Referenzlichtstrahls erzeugt.
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Weiterhin
kann das erfindungsgemäße Verfahren
so ausgeführt
werden, dass die Auftrittsflächen
der die mindestens eine Serpentine bildenden Stufen einzeln und
jeweils mittels separater optischer Mittel auf jeweils eine oder
zwei zueinander benachbarte Bildsensorzeilen abgebildet werden.
Hierzu kann es vorteilhaft sein, als separate optische Mittel Stablinsen
zu verwenden.
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Schließlich kann
es auch vorteilhaft sein, nur die Bildsensorzeilen auszulesen, auf
die Auftrittsflächen
des Stufenkörpers
abgebildet werden. Die Verwendung von Stablinsen hat den Vorteil,
dass die Abbildung der einzelnen Stufen auf den Bildsensorzeilen
mit erhöhter
Intensität
erfolgt. Zudem brauchen nur die Bildsensorzeilen ausgelesen zu werden,
auf denen die Auftrittsflächen
des Stufenkörpers
abgebildet sind, wodurch sich die Messgeschwindigkeit deutlich erhöhen lässt. Weiterhin
könnte
es sinnvoll sein, die Reihenfolge der Auslesung der einzelnen Bildsensorzeilen
abhängig
vom erwarteten Messergebnis zu machen. Wird zum Beispiel mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren
ein sich in eine bestimmte Richtung laufend ändernder Abstand durch eine
Vielzahl von Messungen kontrolliert, so könnte anhand der jüngsten Messergebnisse
eine Tendenz festgestellt werden, aus der für die nächste zukünftige Messung ein zu erwartendes
Messergebnis abgeleitet werden kann. Das erwartete Messergebnis
könnte dann
zum Festlegen der Bildsensorzeile dienen, die als erstes ausgelesen
wird. Solange keine Messinterferenz festgestellt wird, werden anschließend die
benachbarten Bildsensorzeilen ausgelesen.
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Im
Folgenden werden eine vorteilhafte Ausbildungsform der Erfindung
sowie eine vorteilhafte Verwendung anhand von Figuren dargestellt.
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Es
zeigt schematisch:
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1: eine Messvorrichtung
zur Bestimmung eines Absolutabstandes,
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2: in stark vergrößerter Wiedergabe
einen Stufenspiegel mit Serpentine in Schrägaufsicht,
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3: ein Gehäuse und
eine Gehäusehalterung
für eine
Detektoroptik,
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4: einen seitlichen Schnitt
durch die Detektoroptik mit Gehäuse
und Gehäusehalterung
und
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5: eine geschnittene Schrägaufsicht
auf das Gehäuse
mit Stablinsen.
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Die
Messvorrichtung gemäß 1 umfasst eine Lichtquelle 1,
deren kurzkohärentes
Quelllicht in eine Lichtleitfaser 2 eingekoppelt wird.
Die Lichtleitfaser 2 endet in einer Austrittslinse 3,
aus der ein Teil des Quelllichts in Richtung auf ein Messobjekt 4 austritt.
Ein anderer Anteil des Quelllichts wird an der Austrittsfläche 5 der
Austrittslinse 3 reflektiert und in eine rückführende Lichtleitfaser 6 eingekoppelt.
Des Weiteren wird ein Teil des vom Messobjekt 4 reflektierten
Quelllichts über
die Austrittslinse 3 in die rückführende Lichtleitfaser 6 eingekoppelt.
Die hinführende
Lichtleitfaser 2, die rückführende Lichtleitfaser 6, die
Austrittslinse 3 sowie das Messobjekt stellen eine erste
Interferometereinheit 7 in Form eines Fabry-Perot-Interferometers
dar, in der das Quelllicht der Lichtquelle 1 an der Austrittsfläche 5 der
Austrittslinse 3 in zwei Strahlanteile aufgespaltet wird.
Der von der Austrittsfläche 5 unmittelbar
zurück
in die rückführende Lichtleitfaser 6 reflektierte
Anteil wird im Folgenden als Referenzlichtstrahl bezeichnet, der
vom Messobjekt 4 reflektierte und über die Austrittslinse 3 in
die rückführende Lichtleitfaser 6 eingekoppelte
Anteil als Messlichtstrahl. Der Messlichtstrahl läuft somit dem
Referenzlichtstrahl in der rückführenden
Lichtleitfaser in einem Abstand hinterher, der dem Zweifachen des
Abstands zwischen der Austrittsfläche 5 und der reflektierenden
Oberfläche
des Messobjekts 4 entspricht. Die rückführende Lichtleitfaser 6 endet in
einer Aufweitungsoptik 8, die den Messlichtstrahl und den
Referenzlichtstrahl auf einen Strahlteiler 9 einer als
Michelson-Interferometer ausgebildeten zweiten Interferome tereinheit 10,
der Empfängerinterferometereinheit,
gibt. Der Strahlteiler 9 teilt sowohl den Referenzlichtstrahl
als auch den Messlichtstrahl in jeweils zwei Teilstrahlen auf. In
der zweiten Interferometereinheit 10 sind ein erster Strahlengang 12 und
ein zweiter Strahlengang 11 definiert, die beide beim Eintritt
in die zweite Interferometereinheit 10 beginnen. Im zweiten
Strahlengang 11 wird die durch den Strahlteiler 9 hindurch
tretende Strahlung zunächst
an einem planen Spiegel 13 reflektiert und über den
Strahlteiler 9 und eine Detektoroptik 14 auf einen
Detektor 15 gegeben, der ein hier nicht im Detail dargestelltes
Bildsensorarray einer Digitalkamera, z. B. einer CCD-Kamera oder
CMOS-Kamera umfasst. Im ersten Strahlengang 12 trifft das
aus der Aufweitungsoptik 8 austretende und vom Strahlteiler 9 reflektierte
Licht auf einen Stufenspiegel 16, der in 2 vergrößert in Schrägaufsicht
dargestellt ist. Für
das Auftreffen des Lichts vorgesehene Auftrittsflächen 20 der
Stufen 18 verlaufen nicht durchgehend parallel zueinander
sondern bilden eine durchgehende Serpentine 22. Dort wo
sich die Auftrittsflächen 20 benachbarter
Stufen 18 auf gleicher Höhe treffen, bilden die Auftrittsflächen 20 jeweils
ein gemeinsames Endplateau 45, wobei die Endplateaus 45 zueinander
parallel verlaufen und somit zu den Auftrittsflächen 20 geneigt sind.
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Vom
Stufenspiegel 16 wird die Strahlung reflektiert und durch
den Strahlteiler 9 hindurch tretend über die Detektoroptik 14 auf
den Detektor 15 gegeben. Dabei wird der Stufenspiegel 16 auf
dem Bildsensorarray des Detektors 15 optisch abgebildet. Zweiter
Strahlengang 11 und erster Strahlengang 12 enden
beide auf dem Bildsensorarray.
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Die
optische Wegstrecke im ersten Strahlengang 12 hängt davon
ab, an welchem Ort am Stufenspiegel 16 das Licht reflektiert
wird. Die Abstände
des planen Spiegels 13 vom Strahlteiler 9 und
der Serpentine 22 vom Strahlteiler 9 sind so gewählt, dass der
durch die erste Interferometereinheit 7 erzeugte Unterschied
in der optischen Wegstrecke zwischen Messlichtstrahl und Referenzlichtstrahl
in etwa ausgeglichen ist, wenn einer der Referenzlichtteilstrahlen
den ersten Strahlengang 12 über die Serpentine 22 und
einer der Messlichtteilstrahlen den zweiten Strahlengang 11 durchläuft. In
diesem Fall kann es auf einer dem ersten Strahlengang 12 und
dem zweiten Strahlengang 11 gemeinsamen Interferenzstrecke 17 zu
Messinterferenzen zwischen diesem Referenzlichtteilstrahl und diesem
Messlichtteilstrahl kommen. Die Messinterferenz wird jedoch nur
von dem Anteil des Referenzlichtteilstrahls erzeugt, für den bei
der gegebenen kurzen Kohärenzlänge des eingesetzten
Lichts der Ausgleich des in der ersten Interferometereinheit 7 erzeugten
Wegunterschiedes zum Messlichtstrahl hinreichend genau ist. Dies
gilt in der Regel nur für
den von einer bestimmten Stelle der Serpentine 22 reflektierten
Anteil. Da sowohl die Messinterferenz als auch der Stufenspiegel 16 im Detektor 15 optisch
abgebildet werden, kann festgestellt werden, welcher Ort auf der
Serpentine 22 die Interferenz erzeugt. Aus den bekannten
geometrischen Abmessungen des Stufenkörpers 16 kann dann
unmittelbar auf den zu bestimmenden Abstand zwischen der Austrittsfläche 5 in
der ersten Interferometereinheit 7 und der reflektierenden
Oberfläche des
Messobjekts 4 geschlossen werden.
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Die
Serpentine 22 erzeugt einen kontinuierlichen Messbereich
für die
Abstandsmessung. Würde z.
B. ein sich ändernder
Abstand laufend gemessen, bewegte sich die Messinterferenz auf der
gerade zuständigen
Auftrittsfläche 20 einer
der Stufen 45. Die Messinterferenz kann dabei das Ende
dieser Auftrittsfläche 20 erreichen
und auf das zugehörige
Endplateau 45 auflaufen. Dieses Endplateau 45 gehört gleichzeitig
zu der Auftrittsfläche 20 der
benachbarten Stufe 18, so dass bei weiterer Abstandsänderung in
gleicher Richtung die Messinterferenz auf die Auftrittsfäche dieser
benachbarten Stufe 18 auflaufen würde, wobei die Messinterferenz
ohne Unterbrechung oder Teilung fortlaufend auf dem Detektor 15 abbildbar
ist.
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In
den 3 bis 5 ist die Detektoroptik 14 näher erläutert.
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In 3 ist der Detektor 15 abgebildet,
der sich dort auf einer in 1 nicht
gezeigten Platine 35 befindet. Auf der Platine 35 ist
mittels in Schraublöchern 36 versenkten,
hier nicht dargestellten Schrauben eine Gehäusehalterung 37 fixiert.
Ein Gehäuse 38 ist
in einer zylindrischen Durchführung
der Gehäusehalterung 37 in
Richtung senkrecht zur Platine 35 geführt. Das Gehäuse 38 kann
mittels einer Fixierungsschraube 39 fixiert werden.
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5 zeigt eine geschnittene
Schrägaufsicht
auf das Gehäuse 38.
In dem Gehäuse 38 ist eine
Linsenhalterung 40 angeordnet, auf der zwei Stablinsen 41 fixiert
sind. Wenn das Gehäuse 38 auf das
Deckglas des Detektors 15 (3)
abgesenkt wird, stützt
sich die Linsenhalterung 40 unmittelbar auf diesem Deckglas
ab und wird gegen einen elastischen Ausgleichsring 42 gepresst,
der sich wiederum an einer als Abstützelement dienenden Kante 43 in der
Wand des Gehäuses 38 abstützt.
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Durch
die Fixierung der Gehäusehalterung 37 auf
der Platine 35 ist die Längsachse der Durchführung in
der Gehäusehalterung 37 und
somit die Längsachse
des Gehäuses 38 senkrecht
zur Ebene der Platine 35 ausgerichtet. Aufgrund fertigungstechnischer
Toleranzen kann der Detektorchip 15 und damit das zum Detektorchip 15 in
aller Regel parallele Deckglas zur Ebene der Platine 35 verkippt
sein. Durch den elastischen Ausgleichsring 42 wird diese Verkippung
aufgefangen, so dass bei fixiertem Gehäuse 38 die Linsenhalterung 40 und
damit die Linsen 41 parallel zum Detektorchip 15 ausgerichtet bleibt.
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Durch
Drehen des Gehäuses 38 um
seine Längsachse
können
die Stablinsen 41 parallel zu den hier nicht gesondert
dargestellten Sensorzeilen des Detektorchips 15 ausgerichtet
werden, so dass von jeder Stablinse 41 die Strahlung auf
zum Beispiel genau eine bestimmte Sensorzeile fokussiert wird. Den Auslesevorgang
kann man auf die mit der fokussierten Strahlung beaufschlagten Sensorzeilen
beschränken,
so dass hohe Messfrequenzen möglich sind.
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4 zeigt eine alternative
Ausbildungsform der Detektoroptik 14 in einem seitlichen
Querschnitt. Einander entsprechende Elemente sind den 3 bis 5 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
So ist auch hier die Gehäusehalterung 37 auf
der Platine 35 fixiert. Alternativ zu einer Befestigung
mit Schrauben, kann die Gehäusehalterung 37 beispielsweise auch
aufgeklebt sein. In der Gehäusehalterung 37 ist das
Gehäuse 38 mit
zylindrischer Form geführt,
in welchem die Linsenhalterung 40 mit einer oder mehreren
Stablinsen 41 angeordnet ist. Je nach der gewählten Optik
ist es erforderlich, zum Detektorchip 15 einen bestimmten
Abstand einzuhalten. Aufgrund dessen ist ein zylinderförmiger Abstandhalter 44 vorgesehen,
der sich unmittelbar auf dem Deckglas des Detektorchips 15 abstützt. Bei
Absenken des Gehäuses 38 wird
die Linsenhalterung 40 über
die Kante 43 und den Ausgleichsring 42 auf den
Abstandhalter 44 gestützt.
Es ist möglich,
Linsenhalterung 40 und Abstandhalter 44 einstückig auszubilden.
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In
allen Ausführungsbeispielen
der Detektoroptik 14 können
im Gehäuse 38 oder
vor dem Gehäuse 38 weitere,
in den Fig. nicht dargestellte optische Elemente, wie z.B. eine
Sammellinse, vorgesehen sein, die im Zusammenspiel mit den im Gehäuse 38 angeordneten
Linsen 41 die gewünschten
Effekte bewirken.
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- 1.
- Lichtquelle
- 2.
- Lichtleitfaser
- 3.
- Austrittslinse
- 4.
- Messobjekt
- 5.
- Austrittsfläche
- 6.
- Lichtleitfaser
- 7.
- erste
Interferometereinheit
- 8.
- Aufweitungsoptik
- 9.
- Strahlteiler
- 10.
- zweite
Interferometereinheit
- 11.
- zweiter
Strahlengang
- 12.
- erster
Strahlengang
- 13.
- Spiegel
- 14.
- Detektoroptik
- 15.
- Detektor
- 16.
- Stufenspiegel
- 17.
- Interferenzstrecke
- 18.
- Messstufen
- 20.
- Auftrittsfläche
- 22.
- Serpentine
- 23.
- Messbereich
- 35.
- Platine
- 36.
- Schraubloch
- 37.
- Gehäusehalterung
- 38.
- Gehäuse
- 39.
- Fixierungsschraube
- 40.
- Linsenhalterung
- 41.
- Stablinse
- 42.
- Ausgleichsring
- 43.
- Kante
- 44.
- Abstandhalter
- 45.
- Endplateau