Interferenzkomparator
Die Erfindung bezieht sich auf einen Interferenzkomparator.
Genaue Längenmessungen an Prüflingen werden bekanntlich mittels optischer Interferometer bestimmter Typen durchgeführt. Bisher sind solche Messungen jedoch sehr zeitaufwendig. Es ist wünschenswert, ein optisches Interferometer zu schaffen, mittels dessen die Länge eines Prüflings bei niedri- gen Kosten innerhalb kurzer Zeit festgestellt werden kann.
Zweck der Erfindung ist daher, einen Interferenzkomparator zu schaffen, bei dem eine auf dem Markt leicht verfügbare elektrische Lampe, wie z. B. eine Quecksilberdampflampe oder Cadmiumlampe etc. verwendet werden kann und mit deren Hilfe man bei niedrigen Kosten die Länge eines Prüflings messen kann.
Weiter soll ein Interferenzkomparator geschaffen werden, mit dem man die Länge eines verhältnismässig grossen Prüflings messen kann, wobei das gemessene Ergebnis durch Umgebungsbedingungen, wie Temperatur, atmosphärischen Druck etc. nicht beeinträchtigt wird.
Erfindungsgemäss umfasst der Interferenzkomparator des Michelson'schen Typs Mittel, um zu bewirken, dass die Wellenlänge der Lichtstrahlen, die unter einem Winkel @ zur optischen Achse durch sie hin- durchgetreten sind, gleich A cos (t ist, womi, t A die Wellenlänge der entlang der optischen Achse hindurchgelassenen Lichtstrahlen ist, wodurch ein Paar kohärenter Lichtstrahlen erzeugt wird, die zwischen sich eine von ihrer Neigung zur optischen Achse des Interferenzkomparators unabhängige Phasendifferenz aufweisen.
Die oben erwähnten Mittel können vorzugsweise aus wenigstens einem Fabry-Perot Etalon bestehen, der aus einem Paar planparalleler Platten mit verhältnismässig hohem Brechungsindex und aus einem Distanzhalter besteht, um die planparallelen Platten in einem vorbestimmten Abstand zu halten.
Um den Einfluss der Umgebungstemperatur und/ oder des atmosphärischen Druckes und/oder der- gleichen auf die Längenmessung eines zu messenden Artikels auszuschalten, kann der Distanzhalter aus einem Material hergestellt sein, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient mindestens annähernd gleich ist dem des Materials, aus dem der Prüfling hergestellt ist.
Der Fabry-Perot Etalon kann entweder an der Eintritts-oder Austrittsseite eines Interferometers angebracht werden.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt :
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines herkömmlichen, zur Längenmessung verwendeten optischen Interferometers.
Fig. 2 zeigt schematisch ein optisches System, wie es beim vorliegenden Interferometer verwendet wird.
Fig. 3-5 sind weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemässer Interferenzkomparatoren.
Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Paars Fabry-Perot Etalons, die beim vorliegenden Interferometer verwendet werden.
In Fig. 1 der Zeichnung ist schematisch ein für Längenmessungen verwendetes herkömmliches optisches Interferometer dargestellt. Von einer Lichtquelle 10 kommendes Licht gelangt durch eine punktförmige Öffnung zu einer Eintrittskollimatorlinse 14, die ihrerseits einen von einer punktförmigen Lichtquelle ausgesandten und darauffallenden Lichtstrahl in ein Bündel weitgehendst paralleler Strahlen vervandelt. Das Parallelbündel fällt unter einem Winkel von 45'au einen Strahlenteiler, wie z. B. einen halbdurchlässig versilberten Planspiegel 16, wo er aufgespalten wird in ein reflektiertes Teilbündel, das zu einem festen oder Vergleichsplanspiegel 18 wandert, und in ein hindurchgehendes Teilbündel, das zu einem beweglichen Mess-Planspiegel 20 wandert.
Diese Spiegel 18 und 20 reflektieren die Teilbündel auf den Strahlenteiler 16 zurück, durch den dann das erste Teilbündel hindurchgeht, während das zweite reflektiert wird. So gelangen die beiden Teilbündel am Spiegel 16 zur Interferenz, was im Bildfeld der Sammellinse oder Lupe 22 beobachtet werden kann. Bei jeder Verschiebung des beweglichen Mess-Spiegels 20, die einer halben Wellenlänge des von der Lichtquelle 10 ausgehenden Lichtes entspricht, werden die im Bildfeld der Lupe 22 beobachteten Interferenzstreifen über eine (in der Zeichnung nicht ersichtliche) Vergleichsmarke hinweg um einen Streifen verschoben. Es ist bekannt, dass bei einer Verschiebung eines, wie z.
B. oben beschriebenen beweglichen Spiegels, die Helligkeit eines Interferenzstreifens sich periodisch ändert, entsprechend der Verschiebung #/2 des Spiegels 20, wobei eine Wellenlänge eines von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtes ist. Indem man daher die Anzahl der Streifenhelligkeitswechsel von verschobenen Interferenzstreifen zählt, kann eine Verschiebungslänge des beweglichen Spiegels bestimmt werden.
Eine Vorrichtung zur Längenmessung durch Interferenz umfasst eine geeignete Messklemme (aus der Zeichnung nicht ersichtlich), wie z. B. eine Spindel oder ein Ablesemikroskop o. dgl., die am oben erwähnten beweglichen Spiegel befestigt wird.
Die mittels einer solchen Vorrichtung gemessene grösstmöglichste Verschiebung des Mess-Spiegels hängt von der Breite der verwendeten Spektrallinie ab und ist im allgemeinen klein. Um diese Verschiebungslänge zu vergrössern, muss eine elektrische Lampe von spezieller Bauart, wie z. B. eine Megger Lampe, verwendet werden. Auch wird die Wellenlänge von Licht durch die Umgebungstemperatur ungemein weniger durch den atmosphärischen Druck, jedoch mehr beeinflusst, als die Länge eines aus einem üblichen Material hergestellten Prüflings.
Demgemäss kann eine durch eine solche interferometrische Messung mögliche hohe Genauigkeit nicht erwartet werden, sofern nicht äussere Bedingungen, wie z. B, Umgebungstemperatur, atm. Druck etc. auf den Standardzustand gebracht werden. Obwohl Temperatur, atm. Druck u. dgl. genau eingestellt werden könnten, ist hierzu eine komplizierte und aufwendige Ausrüstung erforderlich und es beansprucht eine lange Zeitspanne, um die Temperatur einzustellen. In diesem Sinne ist jeder herkömmliche Interferenzkomparator für industrielle Zwecke ungeeignet, sofern mit ihm die Längenmessung mit geringen Kosten nicht innerhalb einer kurzen Zeitspanne durchgeführt werden kann.
Es wird bezweckt, die oben beschriebenen Übel- stände zu vermeiden.
In Fig. 2 der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel ein nach der Erfindung konstruiertes optisches System schematisch dargestellt. Wie daraus ersichtlich, trifft ein von einer punktförmigen Lichtquelle 10 kommendes Lichtbündel auf eine Kollimatorlinse 24, wo es in ein weitgehendst paralleles Strahlenbündel verwandelt und durch ein Fabry-Perot Etalon 26 zu einer Sammellinse 28 geleitet wird. Das durch die Linse 28 gesammelte Bündel wird durch eine Eintrittskollimatorlinse 14 hindurchgeleitet, um in ein Bündel weitgehendst paralleler Strahlen übergeführt zu werden, das wiederum in derselben Weise verwendet wird, wie das oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene. In Fig. 2 bezeichnet ein gestrichelter Block einen, wie in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Interferenzkomparator.
Vorzugsweise besitzt die Sammellinse 28 weitgehendst dieselbe Brennweite wie die Kollimatorlinse 14 und beide Linsen sind so angeordnet, dass ihre Brennpunkte sich in einem gemeinsamen Punkt treffen.
Der Fabry-Perot Etalon besteht aus einem Paar planparalleler, aus einem geeigneten Material hergestellter Platten mit relativ hohem Brechungsindex, die parallel zueinander angeordnet sind, und aus einem Distanzhalter, um die planparallelen Platten in einem vorbestimmten Abstand voneinanderzuhalten. Bei einem Etalon, der aus einem Material mit einem geeignet hohen Brechungsindex hergestellt ist und bei dem ein geeignet grosser Abstand zwischen den planparallelen Platten vorhanden ist, besitzt ein unter einem W, inkel O zur optischen Achse hindurchtre- tender LidhtstnaM eine WeHenlänge vom cos. 8, wobei A die Wellenlänge des auf der optischen Achse hindurchtretenden Lichtstrahles ist.
Weiter weist der in jener Richtung hindurchgelassene Strahl eine Spektrallinie auf, dessen Breite viel schmäler sein kann als der von der Lichtquelle ausgehende Strahl. Bei der dargestellten Ausführung weist der unter dem Winkel e zur optischen Achse aus dem Fabry-Perot Etalon austretende Lichtstrahl auch beim Eintritt in das Interferometer die gleiche Nei gung e bezüglich der optischen Achse des Interferometers auf.
Es ist den Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt, dass wenn do die GangdilEferenz zwischen Licht strahlen darstelllt, die in der Richtung 68=0 durc ! h ein Interferometer hindurchgetreten sind, die optische Gangdifferenz co für Lichtstrahlen, die bei einer Neigung 0 durch es.
hindurchgegangen sind, durch die Funktion dargestellt wird d = d cosO Demnach wird die entsprechende Phasendifferenz durch die Funktion dargestellt (pe = 2un d/ = 2n d,/ = < worin n der Brechungsindex des Mediums ist, durch das die Strahlen hlindurchtreten und die Phasen- differenz zwischen solchen Strahlen ist, die unter einer N : eigung @= 0 hindurchtreten. Mit anderen Worten, die Phasendifferenz wird durch die Neigung des Lichtstrahls nicht verändert.
Beim herkömmlichen Interferometer jedoch ist 99, nicht gleich q7O. Um bei grosser Phasendifferenz Interferenzstreifen mit hohen Kontrasten zu erhalten, muss man eine punktförmige Öffnung im Brennpunkt der Kollimatorlinse anbringen, um dadurch die Querschnittsfläche des dort hindurchtretenden Lichtbündels einzuengen.
Im Gegensatz dazu erlaubt das Ausführungsbeispiel eine nicht derart weit gehende Einengung des Lichtbündels. Wegen der Eigenschaften des verwendeten Etalons kann jedoch auf eine solche Einengung nicht gänzlich verzichtet werden. Genauer gesagt, die Grösse der Öffnung muss so festgelegt werden, dass, wenn ein Etalon das einen mit D bezeichneten Abstand zwischen seinen planparallelen Platten aufweist, kein Lichtstrahl durch die Öffnung hindurchgelassen wird, der eine grössere Neigung als 1/R o/D Radian aufweist.
Das Ausmass der so festgelegten Öffnung ist jedoch weit grösser, als das unter den Bedingungen für die Kontrastverbesserung erhaltene Ausmass. Grosse Öffnungen bei der Bildung von hel- len Interferenzstreifen verwenden zu können, ist vorteilhaft und besonders wirksam, wenn die Interferenzstreifen der Photometrie unterworfen werden, bei der eine Photozelle benützt wird.
Weiter ist es erforderlich, dahingehend zu wirken, dass die Breite der Spektrallinie, des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes, nicht i 2l2 D überschreitet.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel ist zweckmässig der Distanzhalter des Etalons aus einem Material hergestellt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient mindestens annähernd gleich ist dem des Materials, aus dem der Prüfling hergestellt ist. Dies ermöglicht, das Verhältnis der Länge des Prüflings zur Wellenlänge des durch den Etalon hindurchgetretenen Lichtes innerhalb gewisser Temperaturgrenzen konstant zu halten. Mit anderen Worten, jede Temperaturänderung bewirkt rktnichtnur eineÄnderung der Prüfling- länge, sondern auch eine Änderung in der Länge des Distanzhalters und daher in der Wellenlänge des durch den Etalon hindurchgelassenen Lichtes.
Da jede Änderung der Wellenlänge des durchgelassenen Lichtes proportional ist der Änderung der Länge des Distanzhalters, ist jede Änderung in der Länge des Prüflings proportional jener Wellenlänge. Aus diesem Grunde bleibt das Verhältnis der Länge des Prüflings zur Wellenlänge des durch den Etalon hindurchgelassenen Lichtes ungeachtet einer Temperaturänderung unverändert. Wohlbemerkt jedoch, darf diese Temperaturänderung nicht innerhalb unbeschränkter Grenzen stattfinden, sondern muss innerhalb eines Bereiches bleiben, bei dem eine Änderung des Abstandes zwischen den planparallelen Platten des Eta-
Ions höchstens gleich ist einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes.
Darüber hinaus werden die gemessenen Daten auch durch eine Änderung des atmosphärischen
Druckes nicht beeimlusst, und zwar aus ähnlichen n
Gründen, wie die vorstehend beschriebenen.
Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, dass der beschriebene Interferenzkomperator die folgen den technischen Konzeptionen in sich schliesst :
1. Indem bewirkt wird, dass die Wellenlänge eines Lichtstrahles, der unter einem Winkel 6\ zur optischen Achse des Interferometers geneigt ist, gleich i cos O ist, wird sichergestellt, dass die
Phasendifferenz zwischen den durch das Interferometer hindurchgelassenen Lichtstrahlen nicht von ihrer Neigung abhängt.
2. Indem die Lichtwellenlänge gemäss einer Änderung der Temperatur und/oder des atmosphärischen Druckes und/oder dergleichen geändert wird, wird sichergestellt, dass die Phasendifferenz zwischen den durch das Interferometer hindurchgelassenen Lichtstrahlen nicht von einer solchen Änderung abhängt.
In Fig. 3 der Zeichnung ist eine abgeänderte Anordnung schematisch dargestellt. Wie daraus ersichtlich, sind hier der Fabry-Perot Etalon 26 und die mit ihm verbundenen Linsen 24 und 28 an der Austrittsseite des Interferometers angeordnet. Wie bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung besitzen auch hier die beiden Linsen 28 und 22 dieselben Brennweiten und sind so angeordnet, dass ihre Brennpunkte in einem gemeinsamen Punkt liegen. Die von der Linse 22 in verschiedene Richtungen ausgehende Lichtstrahlen haben verschiedene Wellenlängen. Nachdem sie die Linse 28 und den Etalon 26 durchlaufen haben, haben die Lichtstrahlen nur eine einzige Wellenlänge, und zwar 2 cos 61. Somit sind die im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Bedingungen auch in der in Fig. 3 gezeigten Anordnung aufrechterhalten.
In den Fig. 4 und 5 sind weitere Ausführungsbeispiele dargestellt. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist der Etalon innerhalb des Interferometers angebracht, wobei in dem Beispiel gemäss Fig. 4 der Etalon an der Eintrittsseite des Interferometers angeordnet ist. Bei diesen beiden Abwandlungen sind die in Fig. 2 gezeigten Linsen 28 und 24 weggefallen.
Genauer gesagt, wird ein durch den Etalon hindurchgelassener Lichtstrahl zu einem Strahlenteiler 16, wie z. B. einem halbdurchlässig versilberten Spiegel, geleitet, ohne dass seine Durchlaufrichtung geändert wird. Dementsprechend ist die vorstehend erwähnte Konzeption (1) klar verwirklicht. Dies gilt auch für die Anordnung gemäss Fig. 5.
Die vorangehende Beschreibung richtet sich auf die Verwendung eines einzigen Fabry-Perot Etalons.
Wie bereits beschrieben, sind die Beschränkungen bezüglich der Grösse einer Öffnung, jeder Änderung der Temperatur, des atmosphärischen Druckes etc., verglichen mit den früheren Methoden auf diesem Ge biet, in hohem Masse erleichtert, können aber nicht vollständig vermieden werden. Solche Beschränkungen können jedoch weiter erleichtert werden durch die Verwendung eines Paares Etalons, die zwischen ihren jeweiligen planparallelen Platten verschiedene Abstände aufweisen und die, wie in Fig. 6 dargestellt, hintereinander angeordnet sind. Dabei wird angenommen, dass ein Lichtstrahl zuerst durch einen Etalon 30 und dann durch einen Etalon 32 hindurchtritt.
Der Etalon 32 ist so entworfen und konstruiert, dass der Abstand D2 zwischen seinen planparallelen Platten und sein Brechungsindex genügen, um die Breite der Spektrallinie des durch den Etalon durch gelassenev, Lichtes kleiner zu machen als die Breite der Spektrallinie, die notwendig ist, um einen gewünschten zu messenden Abstand oder einen ge wünschten Abstand zu erhalten, innerhalb dessen ein Paar kohärenter Strahlen interferieren können.
Der Etalon 30 ist so entworfen und konstruiert, dass der Abstand Dl zwischen seinen planparallelen Platten und sein Brechungsindex genügen, um die Breite der Spektrallinie des durch den Etalon durchgelassenen Lichtes kleiner als R 2l2 D2 zu machen, wobei der Abstand D, kleiner ist als der Abstand D2. Auf diese Weise kann die Öffnung, verglichen mit der Anordnung, bei der nur ein einziger Etalon verwendet wird, um einen Faktor von 1/D2/D1 vergrössert werden. In gleicher Weise können die Einflüsse der Änderung von Temperatur und/oder des atmosphärischen Druckes um einen Faktor D2/Dl verringert werden. Auch können, um eine solche Beschränkung weiter zu erleichtern, drei oder mehr Etalons verwendet werden.
Bei Verwendung von mindestens einem Paar Etalons versteht es sich, dass einer der Etalons an der Ein trittsseite der andere an der Austrittsseite des Inter- f, erometers angebracht werden kann.