-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Interferometer, insbesondere
in einer Ausführungsform
als ein Fourier Spektrometer auf Basis eines Michelson-Interferometers.
-
In
einem Interferometer wird ein von einer Strahlungsquelle erzeugter
(Eingangs-)Lichtstrahl auf zwei Teillichtstrahlen mittels eines
Strahlteilers aufgeteilt. Die beiden Teillichtstrahlen durchlaufen dann
(a) unterschiedlich lange Wegstrecken und/oder (b) verschiedene
Medien mit unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten. Hierdurch ergibt
sich eine unterschiedliche optische Länge für die Teillichtstrahlen. Die
Laufzeiten der Teillichtstrahlen sind dementsprechend unterschiedlich.
Daher ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Wellen.
Werden die beiden Teillichtstrahlen nach Durchlaufen dieser optischen
Weglängen
dann wieder zusammengeführt
(überlagert),
entsteht Interferenz.
-
In
Michelson-Interferometern ist als Strahlteiler ein halbdurchlässiger Spiegel
vorgesehen, mit dem der (Eingangs-)Lichtstrahl aufgeteilt wird.
Hierbei wird ein Anteil des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes
vom halbdurchlässigen
Spiegel durchgelassen und ein weiterer Anteil um einem Winkel α > 0° reflektiert. Das durchgelassene
und das reflektierte Licht treffen nun jeweils auf vollständig reflektierende Spiegel,
die derart angeordnet sind, daß die
Teillichtstrahlen wieder in sich zurück auf den halbdurchlässigen Spiegel
reflektiert werden. Am halbdurchlässigen Spiegel wird jeweils
ein Teil der reflektierten Teillichtstrahlen reflektiert und ein
weiterer Teil durchläuft
den Spiegel. Im Strahlengang hinter dem halbdurchlässigen Spiegel
ist ein Empfänger
vorgesehen, auf dem die interferierenden Strahlen aufgezeichnet
werden.
-
Der
Phasenunterschied zwischen den Teilstrahlen wird durch Variation
der optischen Weglängen
der Teilstrahlen verändert.
Sind die Teilstrahlen dabei in Phase, so addiert sich deren Amplitude („konstruktive
Interferenz"). Sind
sie jedoch gegenphasig, so löschen
sie sich gegenseitig aus („destruktive
Interferenz"). Vermittels
Intensitätsmessung
der entstehenden Überlagerung
sind die Phasenunterschiede messbar.
-
Die
Variation der optischen Länge
durch Verlagerung, jedenfalls eines der Spiegel, muss hierbei mit
hoher Genauigkeit durchgeführt
bzw. bestimmt werden.
-
Aus
den Druckschriften
JP
04-204334A ,
JP 07-239270A und
JP 04-190124A sind
Interferometer bekannt, deren Reflexionsspiegel für die beiden
Teilstrahlen gemeinsam auf einer optischen Platte angeordnet sind.
Die optische Platte ist dabei an einem drehbar gelagerten Art befestigt,
so dass die beiden Reflexionsspiegel relativ zu dem Strahlteiler
verlagert werden können,
ohne dass die geometrische Justierung der beiden Reflexionsspiegel
zueinander beeinträchtigt
wird. Das Prinzip der gemeinsamen Verlagerung der beiden Reflexionsspiegel
mit Hilfe eines Drehlagers ist auch in den aus den Druckschriften
EP 1 412 715B ,
WO 2005/043075 A und
GB 2 154 019 A bekannten
Interferometern verwirklicht. Nachteilig an einem derartigen Konstruktionsprinzip
sind jedoch die hohen Anforderungen, insbesondere hinsichtlich der
Spielfreiheit an die verwendeten Rotationslager.
-
Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Interferometer
der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass mit verringertem konstruktiven
Aufwand eine hochpräzise
Verlagerung der Reflexionsspiegel und des Strahlteilers zueinander
erreicht werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Interferometer, bei dem ein Lichtstrahl mit einem Strahlteiler
aufgeteilt, die erzeugten Teilstrahlen über Reflexionsspiegel wieder
miteinander überlagert
und eine Intensität
des durch Überlagerung dieser
Teilstrahlen erzeugten Lichtstrahles mit einem Detektor analysiert
werden, wobei die Reflexionsspiegel gemeinsam auf einer optischen
Platte angeordnet und auf dieser fest zueinander justiert sind, und
wobei diese optische Platte über
Festkörpergelenke
bewegbar gelagert ist, so daß Strahlteiler
und Reflektionsspiegel relativ zueinander und bei fester geometrischer
Justierung der Reflexionsspiegel zueinander verlagerbar sind.
-
Die
vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß ebenfalls gelöst durch
ein Interferometer, bei dem ein Lichtstrahl mit einem Strahlteiler
aufgeteilt, die erzeugten Teilstrahlen über Reflexionsspiegel wieder überlagert
und eine Intensität
des durch Überlagerung
dieser Teilstrahlen erzeugten Lichtstrahles mit einem Detektor analysiert
werden, wobei der Strahlteiler auf einer optischen Platte fixiert
ist, und wobei diese optische Platte über Festkörpergelenke bewegbar gelagert
ist, so daß Strahlteiler
und Reflektionsspiegel relativ zueinander und bei fester geometrischer
Justierung der Reflektionsspiegel zueinander verlagerbar sind.
-
Diese
erfindungsgemäßen Lösungen können sowohl
alternativ oder auch gemeinsam verwirklicht werden.
-
Den
vorgenannten erfindungsgemäßen Interferometern
ist gemeinsam, dass zwei fest zueinander justierte Reflektionsspiegel
vorgesehen sind, wobei diese Spiegel und der Strahlteiler über Festkörpergelenke
relativ zueinander mit hoher Genauigkeit und ohne Neigung der Spiegel
gegenüber
dem Strahlteiler bewegt werden können.
-
Vorzugsweise
ist der Eingangslichtstrahl ein kohärenter Lichtstrahl.
-
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist
ein inkohärenter
Lichtstrahl als Eingangslichtstrahl vorgesehen und zusätzlich zu
diesem inkohärenten Eingangslichtstrahl
ist ein kohärenter
Lichtstrahl vorgesehen, mit dem die optischen Weglängen sehr
genau bestimmt werden können.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel
eines Interferometers mit bewegbaren, aber fest zueinander justierten
Spiegeln,
-
2 ein
Ausführungsbeispiel
eines Interferometers mit fest zueinander justierten Spiegeln und bewegbarem
Strahlteiler und
-
3 eine
perspektivische schematische Darstellung des Interferometeraufbaues.
-
Die 1 und 2 zeigen
Ausführungsbeispiele
eines Fourier Spektrometers auf Basis eines Michelson-Interferometers,
bei denen die Reflektionsspiegel in ihrer Relation zueinander fixiert
sind, und bei denen zugleich der Strahlteiler auf der einen Seite
und die Reflektionsspiegel auf der anderen Seite relativ zueinander
verlagerbar sind.
-
Die
Hauptbestandteile des Interferometers sowohl nach 1 als
auch nach 2 sind der Strahlteiler 1 und
die beiden fest zueinander montierten Spiegel 2, 3.
Ein (Eingangs-)Lichtstrahl L1 wird von einer (nicht im Einzelnen
gezeigten) Lichtquelle erzeugt und trifft auf den Strahlteiler 1 auf,
woraufhin ein Teil von diesem Lichtstrahl L3 durch den Strahlteiler 1 hindurchtritt
und auf einen der Reflektionsspiegel 3 trifft. Von diesem
Reflektionsspiegel 3 wird der Teilstrahl L3 in sich zurückgeworfen
zum Strahlteiler 1. Vom Strahlteiler 1 wird dieser
zurückgeworfene Strahl
L3 zu einem (nicht im Einzelnen gezeigten) Empfänger, der beispielsweise eine
Fotozelle sein kann, reflektiert. Ein weiterer Teil des Eingangslichtstrahls
L1 wird von dem Strahlteiler 1 zu dem anderen Reflektionsspiegel 2 reflektiert,
von diesem in sich zurück
zu dem Strahlteiler 1 geworfen, durch den er teilweise
hindurchtritt und ebenfalls zu dem Empfänger gelangt.
-
Die
von den beiden Reflektionsspiegeln 2, 3 in sich
reflektierten Teilstrahlen L2, L3 interferieren am Strahlteiler 1 und
werden am Empfänger
detektiert.
-
Dieser
grundsätzliche
Aufbau ist beiden Ausführungsbeispielen
nach 1 und 2 gleich.
-
Gemäß dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind die Reflektionsspiegel 2, 3 auf einer gemeinsamen
optischen Platte 4 über
die Verbindungsteile 5, 6 in einer festen geometrischen
Relation zueinander befestigt.
-
Diese
optische Platte 4 wiederum ist über zwei Lagerungselemente 11, 12 mit
einem relativ zum Strahlteiler ortsfesten Bereich, beispielsweise mit
einem Rahmen 20, verbunden.
-
Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Lagerungselemente 11, 12 ist
aus 3 ersichtlich. Die beiden Lagerungselemente weisen
jeweils eine Basis auf, mit dem diese am Rahmen 20 über Befestigungselemente
(z. B. Schrauben) befestigt sind. Des weiteren weisen die beiden
Lagerungselemente jeweils einen Verbindungsbereich auf, mit dem
diese mit der optischen Platte 4 verbunden sind. Basis
und Verbindungsbereich jedes der Befestigungselemente sind über zumindest
ein längserstrecktes
Zwischenelement (vorliegend: zwei Zwischenelemente) miteinander
verbunden. In den Übergangsbereichen
zwischen Basis und Zwischenelement(en) sind verjüngte Bereiche 9, 10 ausgebildet,
welche erste Festkörpergelenke
bilden. In den Übergangsbereichen
zwischen Zwischenelement(en) und Verbindungsbereichen sind ebenfalls
verjüngte
Bereiche 7,8 ausgebildet, welche zweite Festkörpergelenke
bilden.
-
Diese
Ausbildung ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine verwindesteife
Konstruktion geschaffen wird.
-
Gemäß einem
weiteren, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
können
anstatt den vorstehend beschriebenen Lagerungselementen 11, 12 zwei oder
mehr längserstreckte
Zwischenelemente (z. B. vier Stäbe)
vorgesehen sein, welche direkt mit Rahmen und optischer Platte verbunden
sind. Dabei sind dann zwischen den Stäben auf der einen Seite und der
optischen Platte 4 auf der anderen Seite wiederum verjüngte Bereich
als Festkörpergelenke 7 und 8 ausgebildet.
Desweiteren sind auch zwischen den Stäben und dem Rahmen ebenfalls
Festkörpergelenke 9, 10 als
verjüngte
Bereiche ausgebildet.
-
Folglich
ist die optische Platte vermittels den Festkörpergelenken 7 bis 10 am
Rahmen gelagert und relativ zu diesem verlagerbar. Dieser Rahmen 20 kann
beispielsweise in ein Interferometergehäuse als Baugruppe eingeschoben
werden.
-
Durch
ein Hin- und Herbewegen der optischen Platte (das in 1 durch
den Pfeil „ΔX" angedeutet ist),
werden auch die Spiegel relativ zum Strahlteiler 1 verlagert.
Hierdurch ergeben sich Veränderungen für
die optischen Weglängen
der Teillichtstrahlen L2, L3.
-
Aufgrund
dieser Veränderung
der optischen Weglängen
der Teillichtstrahlen wird ein mit dieser Verschiebung ΔX einhergehendes,
sich änderndes Interferenzmuster
am Empfänger
erzeugt.
-
Im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach 1 ist
beim Ausführungsbeispiel
nach 2 der Strahlteiler 1 über ein Befestigungselement 13 fest
mit der optischen Platte 4 verbunden und dementsprechend
an dieser gelagert.
-
Die
optische Platte 4 ist wiederum über die Lagerungselemente 11, 12 an
einem Rahmen befestigt und vermittels der Festkörpergelenke 7 bis 10 relativ
zum Rahmen verlagerbar.
-
Durch
die Hin- und Herbewegung der optischen Platte 4 (in 2 wiederum
durch den Doppelpfeil „ΔX" angedeutet), wird
eine Lage des Strahlteilers 1 relativ zu den Reflektionsspiegeln 2, 3 verändert. Für die beiden
Teilstrahlen L2 und L3 ergeben sich wiederum Veränderungen in den optische Weglängen. Hierdurch
wird ein sich mit der Verschiebung einhergehendes, sich änderndes
Interferenzmuster am Empfänger
erzeugt.
-
Bei
beiden Ausführungsbeispielen
nach 1 und 2 können die Reflektionsspiegel
als Planspiegel ausgebildet sein. Diese Planspiegel sind gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
mit der bewegbaren optischen Platte 4 verbunden. Dadurch können die
auf der optischen Platte 4 montierten Reflektionsspiegel 2, 3 gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 1 mit einer hohen Genauigkeit und ohne Neigung
der fest zueinander justierten Spiegel gegenüber dem Strahlteiler bewegt
werden.
-
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach 2 sind die Reflektionsspiegel mit einem Rahmen verbunden.
Die relativ zum Rahmen ortsfest angeordneten Reflektionsspiegel 2, 3 sind
damit zwar nicht verlagerbar, jedoch wird bei diesem Ausführungsbeispiel
der auf der optischen Platte 4 fixierte Strahlteiler 1 mit
einer sehr hohen Genauigkeit und ohne Neigung der Spiegel gegenüber dem
Strahlteiler bewegt.
-
Folglich
werden im Gegensatz zu herkömmlichen
Michelson-Interferometern die beiden Reflektionsspiegel auf einer
optischen Platte montiert und gemeinsam bewegt. Alternativ sind
die beiden Spiegel ortsfest angeordnet und der Strahlteiler wird
bewegt. Hierdurch ist die Reflektion der beiden Teilstrahlen zueinander
stabil und nicht durch Verkippen während der Bewegung gestört. Es werden
im Vergleich zu anderen technischen Lösungen entsprechend weniger
optische Bauelemente (Reflektionsspiegel) benötigt. Es ergibt sich ein kostengünstiger Aufbau,
bei dem zudem eine vereinfachte Justage möglich ist.
-
Außerdem wird
durch die Verwendung der Festkörpergelenke
die Bewegung der Spiegel mechanisch stabiler als bei bekannten Lösungen,
da bei Festkörpergelenken
kein Gelenkspiel möglich
ist und deutlich geringere Verkippung auftritt.
-
Die
mechanische Auslenkung der Spiegel oder des Strahlteilers um den
optischen Gangunterschied zu erzielen, ist zudem geringer als beim
herkömmlichen
Michelson-Interferometer,
so daß sich der
mechanische Verschiebeweg bei gleicher optischer Wegdifferenz verkürzt. Die
Verschiebemechanik wird dementsprechend genauer und schneller.
-
Den
vorliegenden Ausführungsbeispielen
ist zudem gemeinsam, daß die
optische Platte über
zwei Festkörpergelenke
gelagert ist, so daß entweder
die Spiegel relativ zum Strahlteiler bzw. der Strahlteiler relativ
zu den Spiegeln verkippungsfrei und ohne Spiel relativ zueinander
bewegt werden können.
-
Festkörpergelenke
sind gekennzeichnet durch eine Stelle mit reduzierter Biegesteifigkeit
und sind hierdurch von den benachbarten Zonen abgegenzt, die als
Starrkörper
angesehen werden können.
Die reduzierte Biegesteifigkeit wird in der Regel durch eine lokale
Querschnittsverringerung erzeugt. Dabei kann der Querschnitt nur
entlang einer oder aber entlang mehrerer Raumrichtungen verringert sein.
Die Querschnittsveränderung
kann unterschiedliche geometrische Formen aufweisen.
-
Der
Begriff „optische
Platte" ist vorliegend ausdrücklich nicht
auf planare Elemente beschränkt. Er
umfaßt
vielmehr sämtliche
möglichen
Gestaltungen abhängig
von den jeweiligen Einbauverhältnissen
im entsprechenden Interferometer.
-
Gemäß einem
weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel
könnte
der Rahmen auch verlagerbar im Gehäuse des Interferometers angeordnet sein.