AT392538B - Einrichtung zur wellenlaengenbestimmung bzw. brechzahlbestimmung - Google Patents

Description

AT 392 538 B

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der in einem Medium vorliegenden Wellenlänge eines Lichtstrahles bzw. der Brechzahl dieses Mediums, mit einem relativ zu einem optischen Strahlteiler einer Interferometereinrichtung verschiebbaren, den Lichtstrahl reflektierenden Reflektorsystem, dessen Verschiebeweg durch die Interferometereinrichtung in Einheiten der im Medium vorliegenden Wellenlänge des Lichtstrahles erfaßbar ist

Bei Interferometeranordnungen zur Messung von Lageänderungen eines beweglichen Bauteiles, die entweder mit nur einer Frequenz arbeiten (Zählen von Interferenzstreifen), oder mit zwei Frequenzen arbeiten (Heterodynverfahren, bei dem die Änderung da* Schwebungsfirequenz auf Grund einer Dopplerverschiebung der Meßstrahlfrequenz »faßt wird), liegt die Länge eines festzustellenden Verschiebeweges zunächst in Einheiten der Wellenlänge des verwendeten Lichtstrahles im Medium vor. Dieses Medium ist in der Praxis hauptsächlich Luft, jedoch sind auch andere gasförmige und flüssige Medien denkbar und möglich. Um den Verschiebeweg in metrischen Einheiten zu erhalten, ist es nötig, die Wellenlänge in den momentan auf der Meßstrecke herrschenden Luftverhältnissen zu kennen. Über die Beziehung = Xq/b = c/f. η (λ^ = Wellenlänge im Medium, λφ = Vakuum-Wellenlänge, n = Brechzahl des Mediums, c = konstante Lichtgeschwindigkeit, f=Frequenz) wird die Wellenlänge im Medium häufig durch die Bestimmung der Brechzahl n und die Messung (oder die Kenntnis) der Frequenz f bestimmt, wobei die Brechzahl n beim Medium Luft von den Parametern Luftdruck, Temperatur, Feuchte, Gasbeimengungen aber auch von Verunreinigungen der Luft (z. B. ölnebel) abhängt.

Ist die Frequenz bekannt, so muß noch die Brechzahl n des Mediums bestimmt werden. Bekannte Brechzahlbestimmungsverfahren sind z. B. das Parameterverfahren (Messung von Druck, Temperatur und sonstige Parameter und formelmäßige Berechnung der Brechzahl n) oder das Refraktometerverfahren (Ermittlung der Brechzahl n durch Vergleich der optischen Weglängen bei gleichen geometrischen Weglängen in Luft einerseits und im Vakuum andererseits). Beim Parameterverfahren besteht die Schwierigkeit in der nur sehr träge möglichen Erfassung der Temperatur und anderen Parametern, wobei einige Parameter, wie etwa der Ölnebelgehalt, der die Brechzahl sehrwohl beeinflußt, kaum erfaßbar sind. Das Refraktometerverfahren ist an sich sehr genau, aber sowohl konstruktiv (es sind Vakuumpumpen nötig), als auch in der Anwendung äußerst aufwendig, beispielsweise was die Forderung der selben Lufttemperatur auf der Meßstrecke und im Refraktometer betrifft

Ist die Frequenz des verwendeten Lichtes nicht genau bekannt wie es etwa bei Laserdioden der Fall sein kann, so können diese beiden Verfahren nicht zur Bestimmung der Wellenlänge im Medium angewandt werden.

Der interferometrische Vergleich mit einer Maßverkörperung bestimmter Länge bietet die Möglichkeit die Wellenlänge eines Lichtstrahles im Medium direkt (ohne gesonderte Bestimmung der Brechzahl n und Frequenz f) zu ermitteln. Dieser meist zu Beginn einer Meßserie durchgeführte Vergleich erfolgt auf dem "Umweg" einer mechanischen Verschiebung eines den Lichtstrahl reflektierenden Reflektorsystems um eine etwa durch eine Maßverkörperung bekannte Referenzstrecke bei gleichzeitiger interferometrischer Messung, die den Verschiebeweg in Einheiten der Lichtwellenlänge im Medium liefert. Bei bekannter Verschiebestrecke des Reflektorsystems erhält man aus diesem Vergleich direkt die gewünschte Lichtwellenlänge im Medium. Es muß also die Möglichkeit bestehen, ein Reflektorsystem um eine genau bekannte Länge exakt zu verschieb»!.

Nach bisherigen Methoden ist diese Länge durch ein Strichmaß mit fotoelektrischem Stricheinfang oder ein Stufenmuster mit mechanisch» Antastung bekannt. Die Genauigkeit dieser Methoden ist einerseits durch die erzielbare Qualität und Temperaturkonstanz des Stufenmusters od» des Strichmaßes, andererseits aber auch durch die nur begrenzt g»iau mögliche "Ablesung" des Stufenmusters oder Strichmaßes beschränkt, wobei ein hoher konstruktiver Aufwand nötig ist, um überhaupt eine zufriedenstellend genaue Ermittlung der im Medium vorliegenden Wellenlänge des Lichtstrahles zu erreichen. Naturgemäß sind die bekannten, konstruktiv aufwendigen Einrichtungen zur Ermittlung der Luftwellenlänge teuer, sensibel und nehmen viel Platz ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte Einrichtung der eingangs genannten Gattung zur Bestimmung der in einem Medium vorliegenden Wellenlänge eines Lichtstrahles bzw. der Brechzahl dieses Mediums zu schaffen, mit der auf einfache Weise und rasch eine sichere und genaue Bestimmung der Wellenlänge im Medium bzw. dessen Brechzahl möglich ist.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zur Festlegung und Feststellung einer bestimmten V»schiebestrecke des Reflektorsstems ein diese Verschiebestrecke maßveikörpemdes Etalon sowie ein Weißlicht· Michelson-Interferometer vorgesehen sind, das einen optischen Strahlteiler aufweist, von dem zwei Teilstrahlenbündel ausgehen, wobei die zwei beabstandeten Reflexionsflächen des Etalons in den Strahlengang des einen und das verschiebbare Reflektorsystem in den Strahlengang des anderen Teilstrahlenbündels eingebracht sind und diese Teilstrahlenbündel jeweils auf den Strahlteiler des Weißlicht-Michelson-Interf»ometers zurückreflektieren.

Die vorliegende Erfindung arbeitet auf dem Prinzip ein» mechanischen Verschiebung eines Reflektorsystems relativ zu einem optischen Strahlteiler einer Interferometereinrichtung, die den Verschiebeweg auf bekannte Weise in Einheiten d» Lichtwellenlänge im Medium (Luft) ermittelt, wobei die Verschiebestrecke des Reflektorsystems üb» das Etalon und das Weißlicht-Michelson-Interferometer auf im folgend»i noch näher zu beschreibende Weise genau festgelegt und präzise festgestellt wird. Der Vergleich der in metrischen Einheiten bekannten Verschiebestrecke mit der von der Interferometereinrichtung in Einheiten der Lichtwellenlänge im Medium erfaßten Verschiebestrecke liefert direkt die gesuchte Lichtwellenlänge im Medium bzw. bei bekannter Frequenz -2-

AT 392 538 B die momentane Brechzahl dieses Mediums.

Ein Michelson-biterferometer weist eine Lichtquelle auf, die einen Lichtstrahl bzw. ein Lichtstrahlenbündel mit größerem Querschnitt auf einen Strahlteil«' emittiert Von dort gehen zwei Teilstrahlenbiindel aus, von denen das eine eine relativ zum Strahlteiler feste Referenzstrecke bzw. Referenzstrecken und das andere üb« eine variable S Meßstrecke läuft, wobei die Teilstrahlenbündel nach Durchlaufen ihr« jeweiligen Strecken überlagert werden und die dem Gangunterschied entsprech«ide, gesamte Intensität bzw. Intensitätsverteilung in einem fotoelektrischen Detektor erfaßt wird. Kennzeichnend für ein Michelson-Interferometer ist das Vorhandensein einer völligen optischen Identität der beiden von je einem Teilstrahlenbündel durchlaufenen Interferenzstrecken (Referenzstrecke, Meßstrecke) in einer bestimmten "Null-Lage", bei der gleiche Luftwege und gleiche Glaswege in beiden 10 Interferenzstrecken vorliegen. (Die Ausdrücke "Luftwege" und "Glaswege" werden im Hinblick auf das hauptsächliche Vorliegen von Luft und Glas verwendet. Selbstverständlich können aber auch andere Materialien als Glas verwendet werden und anstelle von Luft kann jedes andere gasförmige oder flüssige Medium auf den Interferenzstrecken vorliegen.) In dies« "Null-Lage" zeigt sich am Fotodetektor je nach Aufbau und Material des Strahlteilers ein Intensitätsminimum oder -maximum. Dieses Extremum (Minimum oder Maximum) gilt für alle IS Wellenlängen gleichzeitig, sodaß sogar für Weißlicht, das in einem bestimmten Bandbereich (z. B. 500 bis 1.000 nm) viele Wellenlängen enthält, in dieser "Null-Lage" ein Extremum auftritt Ein Extremum tritt für Weißlicht nur in ein« solchen "Null-Lage" auf, sonst nicht.

Bei d« erfindungsgemäßen Einrichtung ist im Referenzzweig des mit Weißlicht betriebenen Weißlicht-Michelson-Interferometers ein mit zwei in Strahlrichtung beabstandeten Reflexionsflächen versehenes Etalon 20 eingebracht, dessen beide in verschiedenem Abstand von der Strahlteilerschicht liegenden Reflexionsflächen im Strahlengang liegen. Damit ergeben sich zwei "Null-Lagen" mit Intensitätsextrema von halber Tiefe am Fotodetektor. Die eine "Null-Lage" ist dann erreicht, wenn das verschiebbare Reflektorsystem so steht, daß der Lichtweg über das Reflektorsystem (Meßzweig) mit dem über die eine Reflektorfläche des Etalons führenden Lichtweg (Ref«enzzweig) übereinstimmt. Da beide Reflektorflächen des Etalons gleichzeitig im Strahlengang des 25 Referenzzweiges sind, gibt es in dieser "Null-Lage" keine vollständige optische Äquivalenz der Lichtwege im Meßzweig und im Referenzzweig, sondern immer nur eine optische Äquivalenz bezüglich einer der beiden Reflektorflächen. Es ergibt sich somit zwar nie ein totales Extremum am Fotodetektor, jedoch läßt sich auch dieses Extremum halber Tief« leicht detektieren. Die andere "Null-Lage" ist dann erreicht, wenn das verschiebbare Reflektorsystem so steht, daß der Lichtweg im Meßzweig mit dem über die andere Reflektorfläche des Etalons 30 führenden Lichtweg im Referenzzweig optisch identisch ist.

Der Meßvorgang schaut in der Praxis wie folgt aus:

Das Reflektorsystem wird günstigerweise gleichmäßig verschoben. Dabei passiert es die erste "Null-Lage" des Weißlicht-Michelson-hterferometers, in der dessen Fotodetektor ein erstes Extremum detekti«L Nach Abfahren einer bestimmten Verschiebestrecke, die genau dem Abstand der beiden Reflektorflächen des Etalons entspricht, 35 detektiert der Fotodetektor des Weißlicht-Michelson-Interferometers ein zweites Extremum (zweite "Null-Lage").

Die zwischen den beiden "Null-Lagen" abgefahrene, durch das Etalon genau bekannte Verschiebestrecke wird gleichzeitig von der Interf«ometereinrichtung in Einheiten der Lichtwellenlänge im Medium ermittelt Ein Vergleich mit der in metrischen Einheiten bekannten Verschiebestrecke liefert die im Medium (Luft) vorhandene Wellenlänge in metrischen Einheiten. 40 Die Länge der durch das Etalon definierten Verschiebestrecke des Reflektorsystems ist nicht auf einen einzigen

Wert beschränkt Sie muß lediglich bekannt sein. Damit können prinzipiell geeichte Etalons beliebig« Länge verwendet werden. In der Praxis wird hi« allerdings die geforderte Kompaktheit der Einrichtung eine obere Grenze setzen. Auch der Abstand des Etalons von d« Strahlteilerschicht geht nicht ins Meßergebnis ein, da die Interferometereinrichtung, die den V«schiebeweg des Reflektorsystems in Einheiten der Wellenlänge 45 (im Medium) des verwendeten Lichtstrahles erfaßt, ohnehin nicht absolute Entfernungen, sondern eben nur Verschiebewege erfassen kann. Voll in das Meßergebnis geht d« Abstand der beiden Reflektorflächen des Etalons ein. Durch geeignete Materiahen und einen vorteilhaften Aufbau kann man eine ausreichende Temperaturkonstanz dieser Referenzlänge erzielen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht in der "exakten und einfachen Ablesung" der 50 durch den Abstand der Reflektorflächen des Etalons gegebenen Referenzstrecke, d. h. in der exakten und einfachen Übertragung dieser Referenzstrecke auf das verschiebbare Reflektorsystem durch das Weißlicht-Michelson-Interferomet«, wobei das Signal des Fotodetektors des Weißlicht-Michelson-Int«f«ometers automatisch den Anfang und das Ende der Referenzstrecke angibt. Es muß lediglich das Etalon "offen" sein, um im Referenzzweig des Weißlicht-Michelson-Int«f«ometers die gleichen Luftbedingungen zu ermöglichen, wie sie im Meßzweig 55 (beim Reflektorsystem) des Weißhcht-Michelson-Interferometers herrschen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispieles in der folgenden Beschreibung der Figuren der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine schematisch dargestellte Interferometeranordnung zur Messung von Verschiebungen eines beweglichen Bauteiles mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur 60 Bestimmung d« in einem Medium (Luft) vorliegenden Wellenlänge, die Fig. 2 das Weißlicht-Michelson-Interferometer ans Fig. 1 in einer Ansicht gemäß dem Pfeil (A) in Fig. 1, und Fig. 3 dessen Strahlteiler in ein« perspektivischen Ansicht -3-

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Die in Fig. 1 gezeigte Laserinterferometeranordnung arbeitet nach dem sogenannten Heterodyn-Verfahren, bei dem zwei frequenzmäßig geringfügig differierende Teilstrahlen verwendet werden.

Eine Laserdiode (1) sendet monochromatisches, infrarotes Licht aus, das von der Linse (2) gesammelt und auf den akusto-optischen Kristall (3) fokussiert wird. In diesem akusto-optischen Kristall (3) erfolgt die Aufteilung in die benötigten Teilstrahlen mit den Frequenzen (fj) und (f2), wobei der geradeaus laufende Teilstrahl die Originalfrequenz (fj) hat, während der abgelenkte Teilstrahl eine um (A f) (ca. 50 MHz) verschobene Frequenz aufweist (f2 = fj + Δ f). Die nachgeschaltete Linse (4) richtet die beiden Teilstrahlen parallel aus.

Ein Strahlteiler (5), der eine halbdurchlässige Spiegelschicht aufweist, die durch die halbverspiegelte Diagonalfläche eines Würfels aus Glas gebildet ist, lenkt einen Teil beider Teilstrahlen in Richtung des eigentlichen Meßinterferometerbauteiles (6), in dem der Teilstrahl (fj) und der über den am beweglichen Bauteil (nicht dargestellt) über eine Verbindungsstange (7) verbundenen Reflektor (8) laufende andere Teilstrahl überlagert werden und einem Fotodetektor (9) zugeführt werden, der an eine elektronische Auswerteinrichtung angeschlossen ist Der genannte Meßinterferometerbauteil (6) besteht lediglich aus zwei halbdurchlässigen Spiegelflächen, die zum Schutz innerhalb von Glaskörpern angeordnet sind. Bei ruhendem Reflektor (8) ändert sich die Amplitude der auf den Fotodetektor (9) auftreffenden Gesamtstrahlung mit der Ruhe-Schwebungsfrequenz (Δ f) der beiden Teilsbahlen, welche in der Auswerteinrichtung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, gezählt wird. Im Gegensatz zu den Frequenzen (fj-f2) der Teilstrahlen, die im 5.10^ Hz-Bereich liegen und heute nicht direkt meßbar sind, ist (Δ f), das ca. 50 MIL· beträgt, direkt und präzise meßbar. Bei Bewegung des Bauteiles bzw. des Reflektors (8) ändert sich auf Grund des Doppler-Effektes die Frequenz des über den Reflektor (8) laufenden Teilstrahles proportional mit der Verschiebegeschwindigkeit. Die damit entstehende Änderung der vom Fotodetektor (9) empfangenen Schwebungsfrequenz gegenüber der Ruhe-Schwebefrequenz ist ein Maß für die momentane Verschiebegeschwindigkeit, die über die Zeit integriert die Verschiebestrecke des Reflektors (8) in Einheiten der vorhandenen Wellenlänge im Medium auf der Meßstrecke (im folgenden kurz Luftwellenlänge genannt, obwohl durchaus auch andre Medien als Luft denkbar sind) ergibt Um diese Verschiebestrecke (Δ x) in metrischen Einheiten zu kennen, muß diese Luftwellenlänge zu allen Zeiten genau bekannt sein. Zur Ermittlung dieser Luftwellenlänge dient die gesamte in Fig. 1 links vom Strahlteiler (5) liegende Einrichtung.

Zur Bestimmung der Luftwellenlänge ist erfindungsgemäß ein Etalon (11) mit zwei beabstandeten Reflexionsflächen (11a) und (11b) sowie ein Weißlicht-Michelson-Interferometer (12) vorgesehen, das einen optischen Strahlteiler (13) aufweist von dem zwei Teilstrahlenbündel ausgehen, wobei beide Reflexionsflächen (11a), (11b) des Etalons (11) in den Strahlengang des einen und ein verschiebbares Reflektorsystem (14) ((14') und (14") bezeichnen verschiedene Lagen dieses Reflektorsystems) in den Strahlengang des anderen Teilstrahlenbündels eingebracht sind und diese Teilstrahlen jeweils auf den Strahlteiler (13) des Weißlicht-Michelson-Interferometers zurückreflektieren.

Der Verschiebeweg des Reflektorsystems (14), welches einen Infiaiot-Spiegelfleck (14a) trägt wird über die Interferometereinrichtung (Strahlteiler (15), der gleich aufgebaut ist wie der eigentliche Meßinterferometerbauteil (6), und Fotodetektor (16), der an eine elektronische Auswertschaltung angeschlossen ist) auf analoge Weise in Einheiten der Luftwellenlänge ermittelt, wie dies bei der eigentlichen Meßstrecke (Δ x) der Fall ist Die beiden Lichtstrahlen (fj, f2) gelangen über das Umlenkprisma (10) zum Strahlteiler (Interferometerbauteil) (15).

Im Gegensatz zur Meßstrecke (Δ x) ist jedoch hier die Verschiebestrecke (Δ y) des Reflektorsystems über das Etalon (11) und das Weißlicht-Michelson-Interferometer - wie es im folgenden noch ausführlich beschrieben werden wird · in metrischen Einheiten genau bekannt Ein Vergleich mit der über den Strahlteiler (15) und den Fotodetektor (16) ermittelten, in Luftwellenlängen vorliegenden Verschiebestrecke (Δ y) mit der andererseits auch in metrischen Einheiten genau bekannten Verschiebestrecke (Δ y) liefert sofort die gewünschte Luftwellenlänge des vom optischen Strahlteiler (15) auf den Infrarot-Spiegelfleck (14a) geworfenen Lichtstrahles, dessen anderer, vom Strahlteiler (5) ausgehender Teil auf der eigentlichen Meßstrecke (Δ x) verwendet wird.

Die Verschiebestrecke (Δ y) ist in metrischen Einheiten durch den Abstand der beiden Reflexionsflächen (11a) und (11b) des Etalons (11) genau vorgegeben, wobei das Etalon (11) aus Materialien mit geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten gebildet ist und im folgenden noch näher beschrieben werden wird.

Die exakte Ablesung dieser Referenzstrecke des Etalons (11), d. h. die Obertragung dieser Referenzstrecke auf den Verschiebeweg des Reflektorsystems (14), erfolgt über das erfindungsgemäß vorgesehene Weißlicht-Michelson-Interferometer (12), das in den Fig. 2 und 3 noch näher dargestellt ist.

Das Weißlicht-Michelson-Interferometer (12) weist einen Strahlteiler (13), der mit symmetrisch zur eigentlichen Strahlteilerschicht (13a) liegenden Umlenksystemen aus Einzelprismen versehen ist, sowie eine Weißlichtquelle (17) (beispielsweise eine möglichst punktförmige Mikroprojektions-Halogenlampe) und einen Fotodetektor (18) auf, die jeweils im Brennpunkt von Sammellinsen (19) bzw. (20) angeordnet sind (Fig. 2). Durch die Sammellinsen werden parallele Strahlenbündel relativ großen Durchmessers erzeugt bzw. solche Strahlenbündel auf den Fotodetektor (18) fokussiert Die Sammellinsen (19), (20) sind vorzugsweise achromatisch korrigiert, um für alle von der Weißlichtquelle (17) ausgesandten Wellenlängen, auf die der -4-

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Fotodetektor (18) empfindlich ist, gleiche Bedingungen zu schaffen. Der Vorteil eines derartigen symmetrischen Umlenksystems, das gleiche Glaswege für Teilstrahlenbündel beiderseits der Strahlteilerschicht (13a) sicherstellt, liegt darin, daß die beiden Teilstrahlenbündel parallel verlaufen (im Gegensatz zum klassischen Michelson-Interferometer, wo die Teilstrahlenbündel der beiden Interferenzzweige senkrecht aufeinander verlaufen). Die Parallelität erlaubt zunächst eine wesentlich kompaktere Bauweise der gesamten Einrichtung als bei senkrecht verlaufenden Teilstrahlenbündeln. Weiters liegt der Verschiebeweg des Reflektorsystems (14) direkt neben dem mit Öffnungen (11c) versehenen Etalon (11), wodurch exakt gleiche Luftbedingungen zwischen den Reflektorflächen (11a) und (11b) des Etalons (11) einerseits und auf dem Verschiebeweg des Reflektarsystems andererseits herrschen. Die Strahlteilerschicht (13a) kann eine 50 %-50 %-Strahlteilerschicht sein. Günstiger ist aber eine 57 %-43 %-Strahlteilerschicht, um die höheren Intensitätsverluste im Referenzzweig (über das Etalon (11)) auszugleichen.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, wie die Umlenksysteme des Strahlteilers (13) aus je zwei Halbwürfeln (21), (22), (23) und (24) aufgebaut sind. Zum Schutz ist die Strahheilerschicht (13a) beidseitig von je einem durchsichtigen Halbwürfel (21) bzw. (23) abgedeckt. Der Übersichtlichkeit halber sind die Sammellinsen (19) und (20) in Fig. 3 nicht dargestellt. Aus demselben Grund ist lediglich der Strahlengang eines senkrecht und zentral auf den Halbwürfel (21) auffallenden Weißlichtstrahles eingezeichnet Alle anderen Weißlichtstrahlen verlaufen im Umlenksystem parallel zu dem in Fig. 3 eingezeichneten und bilden parallele Strahlenbündel, die vom Reflektorsystem (14) einerseits und von den Reflexionsflächen (11a) und (11b) des Etalons (11) zurückgeworfen weiden.

Die vom Reflektorsystem (14) und vom Etalon (11) zurückgeworfenen Teilstrahlenbündel gelangen jeweils wieder auf die Strahlteilerschicht (13a), wo sie rekombiniert werden und von wo sie auf den Fotodetektor (18) gelangen. Stimmt nun die optische Weglänge (von und bis zur Strahlteilerschicht (13a)) des über das Reflektorsystem (14) laufenden Teilstrahlenbündels mit der optischen Weglänge für das andere Teilstrahlenbündel zwischen Strahlteilerschicht und einer der beiden Reflektorflächen (11a) bzw. (11b) überein, so detektiert der Fotodetektor (18) ein Extremum. Dieses Extremum tritt für alle im Weißlicht vorhandenen Wellenlängen gleichzeitig nur dann auf, wenn der optische Lichtweg über das Reflektorsystem (14) einerseits mit dem optischen Lichtweg über eine der beiden Reflexionsflächen (11a) bzw. (11b) völlig übereinstimmt. Fährt also das verschiebbare Reflektorsystem (14) einen geeigneten Verschiebeweg ab, so tritt im Laufe dieses Abfahrens zweimal ein Extremum im Fotodetektor auf. Die zwischen diesen beiden Extrema abgefahrene Verschiebestrecke entspricht genau dem in metrischen Einheiten bekannten Abstand der Reflexionsflächen (11a) und (11b) des Etalons (11).

Das Etalon (11) weist eine erste senkrecht zum Strahlengang liegende und für Weißlicht teildurchlässige Spiegelschicht (11a) und eine zweite dahinterliegende Vollspiegelschicht (11b) mit einem Reflexionsgrad von über 95 % für alle im Weißlicht enthaltenen Wellenlängen auf. Der Reflexionsgrad der ersten Spiegelschicht beträgt vorzugsweise etwa 38 %, weil dann die an der ersten Spiegelschicht (11a) reflektierten Weißlichtstrahlen in etwa dieselbe Intensität aufweisen, wie die an der zweiten Spiegelschicht (11b) reflektierten Lichtstrahlen des über das Etalon (11) laufenden Teilstrahlenbündels. Am verschiebbaren Reflektorsystem (14), das als Träger eine planparallele Glasplatte aufweist, ist neben dem Infrarotspiegelfleck (14a) noch eine Spiegelschicht (14b) aufgebracht, die das Weißlicht des Weißlicht-Michelson-Interferometers (12) reflektiert Durch diesen Aufbau wird vorteilhafterweise eine völlige Trennung des im Weißlicht-Michelson-Interferometer (12) verwendeten Lichtes von dem (im vorliegenden Fall infraroten) Lichtstrahl, dessen Luftwellenlänge bestimmt werden soll, erreicht Die Kompensationsplatten (25) und (26) dienen zur Sicherstellung gleicher Glaswege in den beiden Zweigen des Weißlicht-Michelson-Interferometers (12). Mit den Kompensationsplatten (25) und (26) können kostengünstig etwaige Ungenauigkeiten in den Umlenksystemen des Strahlteilers ausgeglichen werden.

Beim gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Messung des Verschiebeweges des Reflektorsystems (14) in Einheiten der Luftwellenlänge nach dem Heterodynverfahren, wie die Messung des Verschiebeweges des Reflektors (8) auf der eigentlichen Meßstrecke (Δ x). Es ist jedoch auch möglich, den Verschiebeweg des Reflektorsystems (14) zur Wellenlängenbestimmung auf andere interfeiometrische Art und Weise, beispielsweise durch Zählen von Interferenzstreifen, durchzuführen. Wesentlich ist dann nur, daß der Lichtstrahl, dessen Luftwellenlänge bestimmt wird, und der auf der eigentlichen Meßstrecke verwendete Lichtstrahl aus derselben Strahlungsquelle (z. B. einer Laserdiode) kommen. Prinzipiell ist es auch denkbar, die im wesentlichen aus Weißlicht-Michelson-Interferometer (12), Etalon (11) und Reflektorsystem (14) gebildete Einheit zeitweise direkt anstelle des Reflektors (8) in die eigentliche Meßstrecke einzubringen und so die Luftwellenlänge zu bestimmen.

Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt Das Michelson-Interferometer kann beispielsweise vollkommen anders realisiert sein, wobei es nur wesentlich ist, daß für zwei von der Strahlteilerschicht ausgehenden Teilstrahlen, die dann nach Durchlaufen einer Referenzstrecke (Etalon) bzw. einer Meßstrecke (Reflektorsystem) zur Interferenz gebracht werden, gleiche Glaswege (bzw. Wege in einem äquivalenten, durchsichtigen, optischen Werkstoff) existieren.

Die erfindungsgemäße Einrichtung braucht nicht mit einer Interferometeranordnung zur Messung der Verschiebung eines Bauteiles verwendet werden, wie dies im Ausführungsbeispiel gezeigt ist. Es ist bei bekannter Frequenz des Lichtstrahles insbesondere auch möglich, mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung nur -5-

Claims (10)

1. AT 392 538 B die unbekannte Brechzahl eines Mediums zu bestimmen. Mit einem Fiequenznormal als Lichtquelle oder einer Einrichtung zur Bestimmung der Frequenz erhält man so ein Absolut-Refiaktometer, das im Gegensatz zu den bekannten üblichen Refraktometern ohne aufwendige Vakuumpumpen auskommt. PATENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Bestimmung der in einem Medium vorliegenden Wellenlänge eines Lichtstrahles bzw. der Brechzahl dieses Mediums, mit einem relativ zu einem optischen Strahlteiler einer Interferometereinrichtung verschiebbaren, den Lichtstrahl reflektierenden Reflektorsystem, dessen Verschiebeweg durch die Interferometereinrichtung in Einheiten der im Medium vorliegenden Wellenlänge des Lichtstrahles erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung und Feststellung einer bestimmten Verschiebestrecke (Δ y) des Reflektorsystems (14) ein diese Verschiebestrecke maßverkörpemdes Etalon (11) sowie ein Weißlicht-Michelson-Interferometer (12) vorgesehen sind, das einen optischen Strahlteiler (13) aufweist, von dem zwei Teilstrahlenbündel ausgehen, wobei die zwei beabstandeten Reflexionsflächen (Ha, 11b) des Etalons (11) in den Strahlengang des einen und das verschiebbare Reflektorsystems (14) in den Strahlengang des anderen Teilstrahlenbündels eingebracht sind und diese Teilstrahlenbündel jeweils auf den Strahlteiler (13) des Weißlicht-Michelson-Interferometers (12) zurückreflektieren.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (13) des Weißlicht-Michelson-Interferometers (12) zwei, vorzugsweise zu einer Strahlteilerschicht (13a) symmetrische Umlenksysteme (21, 22 bzw. 23, 24) aufweist, aus denen die beiden von der Strahlteilerschicht (13a) ausgehenden Teilstrahlenbündel im wesentlichen parallel austreten.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenksysteme (21, 22 bzw. 23, 24) Prismensysteme aus zusammengefügten Einzelprismen sind.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der symmetrisch zur Strahlteilerschicht (13a) liegenden Umlenksysteme (21, 22 bzw. 23, 24) aus zwei gleich dimensionierten Halbwürfeln aus durchsichtigem Werkstoff besteht, die an jeweils einer ihrer Quadratflächen zusammengefügt sind, wobei die rechteckige Diagonalfläche des einen Halbwürfels (21 bzw. 23) der ebenen Strahlteilerschicht (13a) zugewandt ist bzw. diese trägt und die Schnittlinien zwischen der rechteckigen Diagonalfläche und den Quadratflächen des anderen Halbwürfels (22 bzw. 24) einen Winkel von 45° mit der Diagonalfläche des ersten Halbwürfels (21 bzw. 23) einschließen.
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der quadratischen Seitenfläche jedes Umlenksystems des Strahlteilers (13) des Weißlicht-Michelson-Interferometers (12) eine vorzugsweise plankonvexe Sammellinse (19 bzw. 20) angefügt bzw. ausgefarmt ist, wobei im Brennpunkt der Sammellinse (19) des einen Umiraksystems eine Weißlichtquelle (17) und im Brennpunkt der Sammellinse (20) des anderen Umlenksystems ein Fotodetektor (18) angeordnet sind.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinsen (19, 20) im Wellenlängenbereich, den die Weißlichtquelle (17) bevorzugt emittiert und auf den der Fotodetektor (18) empfindlich ist, achromatisch korrigiert sind.
7. 7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, senkrecht zum Strahlengang liegende Reflexionsfläche (11a) des Etalons (11) für Weißlicht teildurchlässig ist, und die zweite, in einem der festzulegenden Verschiebestrecke (Δ y) des Reflektorsystems (14) entsprechenden Abstand von der ersten Reflexionsfläche (11a) dahinterliegende Reflexionsfläche (11b) eine Vollspiegelschicht für Weißlicht aufweisL
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexionsgrad der teildurchlässigen Reflexionsfläche (11a) für das verwendete Weißlicht im Bereich von 38 % liegt -6- AT 392 538 B
9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das verschiebbare Reflektorsystem (14) gesonderte Reflektoren (14a, 14b) für den in seiner Wellenlänge zu bestimmenden Lichtstrahl der Interferometeranordnung einerseits und für das Weißlicht-Teilstrahlenbündel aus dem Weißlicht-Michelson-Interferometer (12) andererseits aufweist. 5
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektorsystem (14) aus einer planparallelen Platte besteht, die die Reflektoren (14a, 14b) beispielsweise in Form von aufgebrachten Spiegelschichten trägt. 10 Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -7-