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Die
Erfindung betrifft ein Linnik-Interferometer für messtechnische Anwendungen.
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Zur
Erfassung mikroskopischer 3D-Geometrien werden aufgrund der hohen
erreichbaren Messgenauigkeiten bevorzugt interferometrische Messeinrichtungen
eingesetzt. Hierbei werden z. B. phasenschiebende Interferometrie
oder tiefenscannende Weißlichtinterferometrie
genutzt. Letztere ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 025 290 A1 bekannt. Phasenschiebende
Interferometrie ist hingegen beispielsweise aus der
DE 102 56 273 B3 zu entnehmen.
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Für die quantitative
Interferenzmikroskopie eignen sich, je nach Anwendung, Michelson-Interferometer,
Mirau-Interferometer
oder Linnik-Interferometer. Hierzu wird beispielsweise auf die
US-PS 5,398,113 (Interferometer
nach Linnik), sowie die
WO 2005/108915
A1 und die
US
2002/0196450 A1 (Interferometer nach Mirau) verwiesen.
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Beim
Michelson-Interferometer befindet sich zwischen einem objektseitigen
Mikroskopobjektiv und dem Messobjekt ein um 45° geneigter Strahlteiler, der
das einfallende Licht in ein Messstrahlenbündel und ein Referenzstrahlenbündel aufteilt.
Aufgrund der räumlichen
Ausdehnung des Strahlteilers sind der verbleibende Arbeitsabstand
und die maximal erreichbare numerische Apertur gering, so dass Michelson-Interferometer
in Verbindung mit geringen Vergrößerungen
(maximal 5facher Vergrößerung) eingesetzt
werden.
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Beim
Mirau-Interferenzobjektiv befinden sich eine Strahlteilerplatte
und ein Referenzspiegel im optischen Strahlengang zwischen dem eigentlichen
Objekt und dem Messobjekt. Diese Anordnung zeichnet sich durch Kompaktheit
aus. Jedoch wird hier ebenfalls ein Teil des Arbeitsabstandes vor
dem Objektiv durch den Strahlteiler und Referenzspiegel beansprucht.
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Mirau-Interferometer
werden daher bevorzugt im Bereich mittlerer Vergrößerungen
(10 fach bis 50 fach) und mittlerer numerischer Aperturen (0,3 bis 0,55)
eingesetzt.
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Sollen
große
Arbeitsabstände
und große
numerische Aperturen verwirklicht werden, ist eine Interferenzanordnung
nach Linnik erforderlich. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass
zwei separate Mikroskopobjektive verwendet werden. Ein erstes bildet das
objektseitige Objektiv, das auf das Messobjekt gerichtet ist und
das zweite Objektiv bildet ein referenzspiegelseitiges Objektiv
und ist auf den Referenzspiegel gerichtet. Die Aufteilung des Lichts
in Mess- und Referenzstrahlenbündel
findet bei dieser Anordnung statt, bevor das Licht in das jeweilige
Objektiv eintritt. Linnik-Interferometer
werden typischerweise mit Hilfe eines gleichseitigen Strahlteilerwürfels realisiert,
bei dem die Strahlteilerfläche
um 45° zum
optischen Strahlengang geneigt ist. Auf den jeweils um 90° gegeneinander
versetzten optischen Achsen der vier optisch wirksamen Flächen des Strahlteilerwürfels befinden
sich die beiden um 90° gegeneinander
versetzten Objektive, die Lichtquelle mit der Beleuchtungsoptik
sowie der Abbildungsstrahlengang gegebenen falls mit einer Tubuslinse, einer
Beobachtungseinrichtung z. B. in Form einer Kamera und/oder einem
Okular.
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Grundsätzlich bietet
das Linnik-Objektiv den Vorzug, dass der gesamte Arbeitsabstand
des Mikroskopobjektivs frei ist und zur Verfügung steht, so dass hier alle
aus der Lichtmikroskopie bekannten Kombinationen aus Arbeitsabstand
und numerischer Apertur des Objektivs realisiert werden können. Insbesondere
können
sehr große
Arbeitsabstände
von über
5 mm bei numerischen Aperturen von mehr als 0,5 sowie bei geringen
Arbeitsabständen
numerischer Aperturen größer 0,7
und somit hohe laterale Auflösungen
erreicht werden. Diese Anordnung hat aber den Nachteil, dass sie
von drei Seiten aus zugänglich
sein muss, um den Referenzspiegel, die Lichtquelle und die Kamera
oder eine sonstige Beobachtungseinrichtung zu justieren. Außerdem wirkt sich
die sternförmige
räumliche
Anordnung aufgrund ihrer großen
Ausdehnung störend
aus. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein solches Interferometer beispielsweise
in ein Mess- und Positioniersystem wie beispielsweise in ein Koordinaten-Messgerät integriert
werden soll. Außerdem
haben sich entsprechende Linnik-Interferometer vor allem bei großen Arbeitsabständen als
schwingungsanfällig
erwiesen, was einen industriellen Einsatz erschwert. Davon ausgehend
ist es Aufgabe der Erfindung, ein Linnik-Interferometer anzugeben,
das sich insbesondere für
Industrieanwendungen eignet.
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Weiter
soll sich das Linnik-Interferometer so gestalten lassen, dass es
eine möglichst
geringe räumliche
Ausdehnung aufweist und robust und kompakt ist.
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Weiter
wird gewünscht,
dass das Linnik-Interferometer modular aufgebaut und in seiner Anordnung
flexibel ist, wobei sowohl der Einsatz von Objektiven mit großem Arbeitsabstand
als auch der Einsatz von Hoch-Apertur-Objektiven mit geringem Arbeitsabstand
möglich
sein soll.
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Das
erfindungsgemäße Linnik-Interferomter weist
ein messobjektseitiges Objektiv, ein referenzspiegelseitiges Objektiv,
einen Referenzspiegel, eine Beleuchtungseinrichtung und eine Beobachtungseinrichtung
beispielsweise in Form einer Kamera und/oder eines Okulars auf.
Eine Strahlteileranordnung verbindet diese Elemente miteinander.
Erfindungsgemäß sind die
Beobachtungseinrichtung, die Beleuchtungseinrichtung, das referenzspiegelseitige Objektiv
und der Referenzspiegel an ein und derselben Seite der Strahlteileranordnung
angeordnet. Dadurch ergibt sich ein kompakter, robuster und schwingungsunempfindlicher
Aufbau. Ein solches Interferometer eignet sich insbesondere für den Einsatz
in Messmaschinen als Messkopf.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass die Beleuchtungseinrichtung, die Beobachtungseinrichtung
und das referenzspiegelseitige Objektiv an einer Seite des Messkopfs
angeordnet sind. Der Messkopf baut somit schlank und kompakt. Der
Zugang zu den einzelnen Elementen, wie insbesondere dem referenzspiegelseitigen
Objektiv, dem Referenzspiegel, der Lichtquelle und der Kamera ist
sehr gut. Alle diese Elemente liegen an einer Seite des Interferometers. Justagearbeiten,
wie beispielsweise die Justage des Referenzspiegels, der Lichtquelle
und der Kamera können
somit sehr leicht und auf übersichtliche
Weise ausgeführt
werden.
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Insbesondere
erweist sich das System als sehr wenig schwingungsanfällig bei
großen
Arbeitsabständen,
d. h. großen
Abständen
zwischen objektseitigen Objektiv- und Messobjekt bzw. zwischen referenzspiegelseitigem
Objektiv und Referenzspiegel. Solchen großen Arbeitsabstände haben
bislang häufig
zu Schwierigkeiten hinsichtlich der Schwingungsanfälligkeit
geführt.
Die Verminderung der Schwingungsanfäl ligkeit gestattet eine Steigerung
der Messgeschwindigkeit.
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Vorzugsweise
legen das referenzspiegelseitige Objektiv, die Beobachtungseinrichtung
und die Beleuchtungseinrichtung jeweils eine optische Achse fest,
wobei diese optischen Achsen vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene
angeordnet sind. Weiter vorzugsweise sind diese optischen Achsen
zueinander parallel orientiert. Der Aufbau ist entsprechend übersichtlich
und robust.
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Das
objektseitige objektiv weist ebenfalls eine optische Achse auf.
Diese kann mit den anderen optischen Achsen in einer gemeinsamen
Ebene liegen oder in einem anderen Winkel orientiert sein. Beispielsweise
kann dies ein rechter Winkel sein. Die optische Achse des objektseitigen
Objektivs steht somit senkrecht auf der oben genannten Ebene. Dies kann
einer festen Einstellung entsprechen. In einer Abwandlung kann es
auch möglich
sein, die optische Achse des objektseitigen Objektivs gegen die
oben genannte Ebene durch entsprechende Justage in verschiedene
Einstellungen bringen zu können.
Dies gelingt bei einer Ausführungsform,
bei der das objektseitige Objektiv über ein schwenkbar gelagertes
Prisma an die restliche Strahlteileranordnung angeschlossen ist.
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Vorzugsweise
weist die Strahlteileranordnung mindestens zwei Strahlteilerprismen
auf. Diese sind vorzugsweise als gleichschenklige 90°-Prismen, d.
h. durch gleichschenklige, rechtwinklige Dreieckflächen mit
jeweils zwei Kathetenflächen
und jeweils einer Hypotenusenfläche
gebildet. Vorzugsweise liegen die beiden Dreieckprismen mit einer
Kathetenfläche
aneinander an und legen dadurch eine Strahlteilerebene fest. Die übrigen Elemente
des Interferometers sind an die Hypotenusenflächen dieser Strahlteilerprismen
angeschlossen. Falls gewünscht,
kann eins der Strahlteiler prismen oder auch beide senkrecht zur
Hypotenuse in Teilprismen unterteilt sein. Dadurch können einzelne
Elemente, beispielsweise das objektseitige Objektiv, um eine optische
Achse schwenkbar an die Strahlteileranordnung angeschlossen werden.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
bilden das referenzspiegelseitige Objektiv und der Referenzspiegel
eine bauliche Einheit. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn ein
Objektivwechsel vorgesehen wird. Es können dann das objektseitige Objektiv
und das referenzspiegelseitige Objektiv auf einfache Weise gleichzeitig
ausgewechselt werden, um beispielsweise eine andere Apertur oder
eine andere Vergrößerung festzulegen.
Der Zugang zu dem referenzspiegelseitigen Objektiv ist dann besonders einfach.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder
von Ansprüchen. Die
Beschreibung beschränkt
sich auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die
Zeichnung offenbart weitere Einzelheiten und ist ergänzend heranzuziehen.
Es zeigen:
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1 einen
Messkopf einer Messmaschine mit dem erfindungsgemäßen Interferometer
in perspektivischer, schematischer Ansicht;
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2 das
Interferometer des Messkopfs nach 1, in schematischer
Funktionsdarstellung;
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3 eine
abgewandelte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Interferometers,
in schematischer Draufsicht;
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4 das
Interferometer nach 3, in schematischer Seitenansicht,
und
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5 das
Interferometer nach 3, in schematischer Vorderansicht.
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1 veranschaulicht
einen Arm 1 einer Messmaschine, der an seinem freien Ende
einen Messkopf 2 trägt
und im Raum, in zumindest einer, vorzugsweise mehreren Richtungen
frei positionierbar ist. Der Messkopf 2 dient zur Vermessung
eines Messobjekts 3, beispielsweise eines Werkstücks.
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Der
Messkopf 2 ist als Linnik-Interferometer 4 aufgebaut,
dessen Strahlengang aus 2 hervorgeht. Zu ihm gehören ein
Objektiv 6, das dem Messobjekt 3 zugewandt ist
und eine optische Achse 7 aufweist, ein Objektiv 8,
das eine optische Achse 9 aufweist und einem Referenzspiegel 10 zugewandt ist.
Die optischen Achsen 7, 9 stehen rechtwinklig
zueinander und liegen bei dieser Ausführungsform in einer gemeinsamen
Ebene. Der Referenzspiegel 10 ist senkrecht zu der optischen
Achse 9 orientiert und durch Stellmittel, wie beispielsweise
drei Einstellschrauben 11, 12, 13, in
seinem Abstand zu dem Objektiv 8 wie auch in seiner Neigung
justierbar. Vorzugsweise bilden der Referenzspiegel 10 und
das Objektiv 8 eine bauliche Einheit 14, die mit
dem Messkopf 2 lösbar
verbunden ist. Vorzugsweise ist die Einheit 14 an einer
Seite des Messkopfs 2, z. B. an seiner Oberseite 19 zugänglich angeordnet.
Vorzugsweise ist die Einheit 14 an derselben Seite angeordnet
wie der Messarm 1 und auf einer Trägerplatte montiert.
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Zu
dem Linnik-Interferometer 4 gehören außerdem eine Beobachtungseinrichtung 15,
z. B. in Form einer CCD-Kamera 16, die eine Tubuslinse 17 oder
ein sonstiges optisches Element aufweisen kann, die eine optische
Achse 18 für
die Beobachtungseinrichtung 15 festlegen. Wie 1 zeigt,
ist die Beobachtungseinrichtung 15 vorzugsweise an der
gleichen Seite 19 des Messkopfs 2 angeordnet wie
die Einheit 14.
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Zu
dem Linnik-Interferometer 4 gehört außerdem eine Beleuchtungseinrichtung 20 mit
einer Lichtquelle 21, z. B. in Form einer LED und einer
Beleuchtungsoptik 22, die eine optische Achse 23 festgelegt.
Die optischen Achsen 9, 18, 23 sind vorzugsweise
parallel zueinander orientiert und in einer gemeinsamen Ebene angeordnet,
die in 2 parallel zur Zeichenebene ist. Die Einheit 14,
die Beobachtungseinrichtung 15 und ggfs. auch die Beleuchtungseinrichtung 20 sind
vorzugsweise gemeinsam auf der Trägerplatte montiert und bedarfsweise
auswechselbar. Die Trägerplatte
ist aus schwingungstechnischen Gründen mit dem Trägerarm 1 verbunden.
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Die
Objektive 6, 8, die Beobachtungseinrichtung 15 und
die Beleuchtungseinrichtung 20 sind untereinander durch
eine Strahlteileranordnung 24 verbunden, die vorzugsweise
zumindest zwei miteinander gekoppelte Prismen 25, 26 umfasst.
Diese sind vorzugsweise als gleichschenklige Dreieckprismen aufgebaut.
Das Prisma 25 weist eine Hypotenusenfläche 27 und zwei Kathetenflächen 28, 29 auf,
die miteinander einen rechten Winkel einschließen. Das Prisma 26 weist
ebenfalls eine Hypotenusenfläche 30 und
zwei Kathetenflächen 31, 32 auf,
die miteinander einen rechten Winkel einschließen. Die Kathetenflächen 29, 31 liegen
aneinander an und bilden eine Grenzfläche, an der die Aufteilung
in Messstrahl und Referenzstrahl erfolgt. Die Hypotenusenfläche 27 ist
senkrecht zu der optischen Achse 7 des Objektivs 6 ausgerichtet.
Die Hypotenusenfläche 30 ist senkrecht
zu der optischen Achse des Objektivs 8 ausgerichtet, das
auf den Referenzspiegel 10 gerichtet ist. In der hier dargestellten
Ausführungsform
werden auf eine unendliche Bildweite korrigierte Objektive verwendet,
so dass die optische Abbildung in der dem Objektiv zugewandten Brennebene
einer Tubuslinse entsteht.
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Bei
den Prismen 25, 26 handelt es sich um gleichschenklige
90° Prismen.
Diese können
kostengünstig
mit ho her Präzision
so gefertigt werden, dass die Weglängen im Glas von der Hypotenusenfläche 27 zu
den durch die Hypotenusenflächen 27, 30 gebildeten
objektivseitigen Planflächen
und zurück
zu der ebenfalls durch die Hypotenusenfläche 30 ausgebildeten
Lichtaustrittsfläche,
die der Beobachtungseinrichtung 15 zugewandt ist, in ausreichendem Maße übereinstimmen.
Dispersionseffekte werden vermieden, wie sie bei der Verwendung
von kurzkohärentem
Licht von unterschiedlich langen Glasstrecken herrühren könnten.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 20 ist an die Hypotenusenfläche 27 zum
Beispiel über
ein weiteres Prisma 33 angeschlossen. Dieses kann ebenfalls als
gleichschenkliges 90° Prisma
ausgebildet sein, dessen Hypotenusenfläche als Spiegel wirkt. Die
Genauigkeitsanforderungen an das Prisma 33, das zur 90°-Umlenkung
des Beleuchtungsstrahlengangs dient, sind deutlich geringer. Außerdem kann
das Prisma 33 entfallen, wenn die Beleuchtungseinrichtung 20 senkrecht
zu der Hypotenusenfläche 27 angebracht
wird, so dass ihre optische Achse 23 senkrecht zu der Hypotenusenfläche 27 steht.
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Die
Kathetenflächen 28, 32 können verspiegelt
ausgebildete werden, um die optischen Achsen 7, 9 der
beiden Objektive 6, 8 jeweils um 90° umzulenken.
Die umgelenkten optischen Achsen treffen sich in einem gemeinsamen
Punkt, in dem auch die umgelenkte optische Achse 23 der
Beleuchtungseinrichtung 20, wie die optische Achse 18 der
Beobachtungseinrichtung 15, einläuft. Der gemeinsame Punkt liegt
an der Grenzfläche
zwischen den Kathetenflächen 29, 31.
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Das
insoweit beschriebene Linnik-Interferometer 4 erzeugt an
der Grenzfläche
aus dem Lichtstrahl der Beleuchtungseinrichtung 20 einen
Referenzstrahl, der von dem Prisma 26 in das Objektiv 8 geleitet,
von diesem auf den Referenzspiegel 10 und zurück zu der
Grenzfläche
geleitet wird. Der andere Teil des von der Beleuchtungseinrichtung 20 ausgehenden
Lichtstrahls wird an der Grenzfläche
zu der Kathetenfläche 28 und
von dort in das Objektiv 6 und zu dem Messobjekt 3 und
auf gleichem Wege zurück geleitet.
An der Grenzfläche
werden der Messstrahl und der Referenzstrahl wiedervereinigt und
entlang der optischen Achse 18 zu der Beobachtungseinrichtung 15 geleitet.
Der Messstrahl und der Referenzstrahl können hier zur Überlagerung
gebracht werden, um Interferenzbilder zu erzeugen, die von einer angeschlossenen
Auswerteinrichtung aufgezeichnet, ausgewertet oder weiter verarbeitet
werden.
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Die
Objektive 6, 8 sind vorzugsweise wechselbar ausgebildet.
Beispielsweise können
sie mit entsprechenden Wechslern oder von Hand jeweils paarweise
ausgewechselt werden. Besonders einfach wird dies, wenn das Objektiv 8 mit
dem Referenzspiegel 10 und seiner Einstellmechanik zu einer baulichen
Einheit verknüpft
ist, die im Ganzen zu wechseln ist.
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3 bis 5 veranschaulicht
eine abgewandelte Ausführungsform
in Form eines Linnik-Interferometers 34. Soweit Elemente
vorhanden sind, die mit den vorbeschriebenen Elementen des Linnik-Interferometers 4 bau-
und/oder funktionsgleich sind, werden die bereits eingeführten Bezugszeichen weiter
verwandt. Die vorstehende Beschreibung gilt unter Zugrundelegung
derselben entsprechend.
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Im
Gegensatz zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist jedoch zumindest
das Prisma 25'' entlang einer
Fläche 35 in
zwei Teilprismen 25a, 25b unterteilt. Die Fläche 35 steht
senkrecht auf der Hypotenusenfläche 27.
Wie 4 veranschaulicht, ist das Teilprisma 25a um
90° gegen das
Teilprisma 25b gedreht. Dadurch steht die optische Achse 7 senkrecht
auf einer Ebene, die durch die optischen Achsen 9, 18, 23 festgelegt
ist. Das Prisma 26' kann
ungeteilt oder, wie in 3 dargestellt, ebenfalls geteilt
ausgebildet sein, wobei seine teilende Fläche 36 dann jedenfalls
rechtwinklig auf der Hypotenusenfläche 30 steht. 5 veranschaulicht
die Anordnungen in Vorderansicht. Bei einer weiteren Ausführungsform
kann vorgesehen werden, das Prisma 25a gegen die übrige Strahlteileranordnung 24' schwenken zu
können,
um dadurch den Winkel α variabel
zu machen, unter dem die optische Achse 7, die von den übrigen optischen
Achsen festgelegte Ebene schneidet.
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Mit
dem vorgestellten Linnik-Interferometer 4 können interferometrische
Messungen durchgeführt werden,
bei denen der Messkopf 2 relativ zu dem Messobjekt 3 bewegt
wird. Die Bewegung erfolgt insbesondere in Richtung der optischen
Achse 7. Ergänzend
oder alternativ kann phasenschiebende Interferometrie durchgeführt werden,
indem z. B. eine mechanische Antriebsvorrichtung mit dem Referenzspiegel 10 verbunden
wird, um diesen in Richtung der optischen Achse 89 zu bewegen.
Andere Maßnahmen,
die zu einer gezielten Verkürzung
oder Verlängerung
des Referenzwegs und/oder des Messwegs nutzbar sind, können ebenso
gut Anwendung finden.
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Das
erfindungsgemäße Linnik-Interferometer 4 weist
eine zentrale Strahlteileranordnung 24 auf, die so beschaffen
ist, dass zumindest die Beobachtungseinrichtung 15 und
eine Einheit 14, die ein Objektiv 8 und den Referenzspiegel 10 umfasst,
an ein und derselben Seite des Messkopfs angeordnet sind. Dieser öffnet den
Weg der Integration des Linnik-Interferometers
in eine Messmaschine. Es ergibt sich eine vibrationsunempfindliche,
robuste und raumsparende Anordnung.
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- 1
- Arm
- 2
- Messkopf
- 3
- Messobjekt
- 4
- Linnik-Interferometer
- 5
- Objektiv
- 7
- optische
Achse
- 8
- Objektiv
- 9
- optische
Achse
- 10
- Referenzspiegel
- 11,
12, 13
- Stellschrauben
- 14
- Einheit
- 15
- Beobachtungseinrichtung
- 16
- CCD-Kamera
- 17
- Tubuslinse
- 18
- optische
Achse
- 19
- Seite
- 20
- Beleuchtungseinrichtung
- 21
- Lichtquelle
- 22
- Beleuchtungsoptik
- 23
- optische
Achse
- 24
- Strahlteileranordnung
- 25,
26
- Prismen
- 27
- Hypotenusenfläche
- 28,
29
- Kathetenfläche
- 30
- Hypotenusenfläche
- 31,
32
- Kathetenfläche
- 33
- Prisma
- 34
- Linnik-Interferometer
- 35,
36
- Fläche