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Optisches Interferometer Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches
Interferometer zur Durchführung genauer Längenmessungen.
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Es ist bereits ein optisches Interferometer bekannt, bei dem ein
Strahlenteiler den schräg auftreffenden einfallenden Strahl in einen Bezugsstrahl
und einen Meßstrahl aufteilt und zugleich auch eine Rekombination und Interferenz
der zum Strahlenteiler zurückgeleiteten Teilstrahlen bewirkt, wobei der den Strahlenteiler
in Durchtrittsrichtung verlassende Meßstrahl auf einen in Strahlrichtung verschieblichen
Meßreflektor auftrifft und von diesem parallel zu sich selbst auf einen feststehenden
Endreflektor geleitet wird, der den Meßstrahl in sich selbst über den Meßreflektor
zum Strahlenteiler zurückwirft. Diese Führung des Meßstrahles bewirkt bei dem bekannten
Interferometer eine vollständige Unempfindlichkeit gegen Kippbewegungen und seitliche
Verschiebungen des den Meßreflektor tragenden Meßkopfes. Da der Meßkopf den einzigen
beweglichen Teil des Interferometers darstellt, wird damit das Gerät auch unter
rauhen, beispielsweise in einer Werkstatt gegebenen Betriebsbedingungen, bei denen
die Kippbewegungen und seitlichen Verschiebungen des Meßkopfes nicht ausreichend
verhindert werden können, verwendbar.
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Ein wesentlicher Nachteil dieses bekannten Interferometers besteht
jedoch darin, daß der beim Aufteilen des einfallenden Strahles am Strahlenteiler
gebildete Bezugsstrahl bis zu der ebenfalls am Strahlenteiler stattfindenden Rekombination
mit dem Meßstrahl einen optischen Weg von der Länge Null durchläuft. Da andererseits
der Meßstrahl stets einen endlichen, in seinem Minimalwert durch die Konstruktion
des Gerätes bestimmten optischen Weg durchläuft, bedeutet dies, daß das bekannte
Interferometer nur in dem vergleichsweise ungenauen Bereich hoher positiver Interferenzordnungen
arbeiten kann, während der genauere Bereich der niedrigen Interferenzordnungen und
auch der Bereich der jenseits der nullten Ordnung gelegenen negativen Interferenzordnungen
nicht zugänglich ist.
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In der interferometrischen Meßtechnik wird aus den vorangehend geschilderten
Gründen eines großen und günstigen Arbeitsbereiches regelmäßig die Verwendung eines
dem Meßstrahl im wesentlichen gleich langen Bezugsstrahles angestrebt. Dementsprechend
sind bereits zahlreiche Interferometer entwickelt worden, bei denen der Bezugsstrahl
über eine endliche optische Weglänge zu einem Endreflektor und wieder zurück zum
Strahlenteiler geleitet wird. Diese Interferometer besitzen jedoch
einen-äußerst
empfindlichen Aufbau, der einen Einsatz nur unter sorgfältig regulierten und kontrollierten
Betriebsbedingungen, wie sie lediglich im Labor eingehalten werden können, zuläßt.
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Demgegenüber soll mit der Erfindung ein Interferometer geschaffen
werden, das unter rauhen Betriebsbedingungen sicher arbeitet, dabei aber zugleich
den Vorteil eines langen Bezugsstrahles besitzt. Zur Lösung dieser Aufgabe geht
die Erfindung aus von dem ersterwähnten Interferometertyp und kennzeichnet sich
dadurch, daß der Strahlenteiler in ein Polygonform aufweisendes optisches Verbundelement
eingebettet ist, das eine Durchtrittsfläche für den ungestörten Durchtritt des Meßstrahles
besitzt und das an einer weiteren Außenfläche mit einem Zwischenreflektor versehen
ist, der den am Strahlenteiler reflektierten Bezugsstrahl zu einem feststehenden
Endreflektor leitet, welcher den Bezugsstrahl in sich selbst zum Strahlenteiler
zurückwirft.
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Durch den Vorschlag der Erfindung gelingt es, unter Verwendung des
Prinzips eines optischen Verbundelementes, das in der einschlägigen Technik für
zahlreiche Zwecke, auch für die Einbettung von strahlenteilenden bzw. teilreflektierenden
Flächen allgemein bekannt ist, für den Bezugs strahl ohne Vermehrung der Einzelteile
des Gerätes einen optischen Weg zu schaffen, der eine endliche Länge besitzt und
der unabhängig von irgendwelchen geringen Lageänderungen des Verbundelementes während
des
Betriebes stets in seiner Richtung gegenüber dem Meßstrahl sehr genau festgelegt
bleibt.
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Die Anordnung des Strahlenganges kann so getroffen sein, daß der
Zwischenreflektor parallel zum Strahlenteiler angeordnet ist und den Bezugsstrahl
auf die eine Fläche eines doppelseitigen Endreflektors wirft, auf dessen andere
Fläche der Meßstrahl auftrifft, wobei der doppelseitige Endreflektor unmittelbar
auf einen Teil der Durchtrittsfläche des Verbundelementes aufgebracht sein kann.
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Die Anordnung des Strahlenganges kann aber auch so getroffen sein,
daß der Zwischenreflektor im Winkel zum Strahlenteiler angeordnet ist und den Bezugsstrahl
zu dem auf einer Außenfläche des Verbundelementes aufgebrachten Endreflektor leitet,
während auf einer weiteren Außenfläche des Verbundelementes der Endreflektor für
den Meßstrahl aufgebracht ist. Bei dieser Anordnung ist es möglich, zur Anpassung
des optischen Weges des Bezugsstrahles ein planparalleles Vorsatzstück, das seinerseits
einen Endreflektor trägt, an Stelle des Endreflektors fest mit dem Verbundelement
zu verbinden.
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Das Verbundelement kann als planparallele Platte ausgebildet sein,
deren eine, zum Strahlenteiler parallel verlaufende Fläche für den Durchtritt des
einfallenden und des rekombinierten Strahles dient und in einem Teil den Zwischenreflektor
trägt, während die gegenüberliegende Fläche die Durchtrittsfläche des Meßstrahles
bildet und in einem Teil mit einem Spiegel bedeckt ist, der den rekombinierten Strahl
nach innen zur erstgenannten Fläche reflektiert.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung, die zu einer weiteren
Verminderung der im Interferometer enthaltenen Einzelteile führt, kann das Verbundelement
aber auch so ausgebildet sein, daß es zugleich als Dispersionseinrichtung zur Auswahl
einer bestimmten Wellenlänge als Meßwellenlänge dient, indem mindestens eine der
Flächen für den Eintritt des einfallenden Strahles und den Austritt des rekombinierten
Strahles als Prismafläche ausgebildet ist, die eine Dispersion des durchtretenden
Strahles bewirkt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend in Ausführungsbeispielen
an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellt dar F i g. 1 eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Interferometers in zwei verschiedenen Ansichten, F i g. 2
Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Interferometers gemäß Fig. 1, F
i g. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers in zwei
verschiedenen Ansichten, Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Interferometers in zwei verschiedenen Ansichten, Fig. 5 eine vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Interferometers in zwei verschiedenen Ansichten, Fig. 6 eine
weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers in zwei verschiedenen
Ansichten.
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Bei dem in F i g. 1 A und 1 B dargestellten Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Interferometers wird das von einer üblichen Entladungslampe 72
ausgestrahlte Licht mit einer Kollimatorlinse 74
zu einem Parallelstrahl gebündelt
und dann durch ein Interferenzfilter 76 geschickt. Das Filter76 bewirkt eine Auswahl
der für die Meßzwecke benutzten Standard-Wellenlänge und kann im übrigen auch durch
ein Dispersionsprisma ersetzt sein, das sich im Strahlengang hinter der Linse 74
oder vor einer (weiter unten noch näher erläuterten) Sammellinse 80 befindet.
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Der das Interferenzfilter 76 verlassende Lichtstrahl l tritt über
die (zum Strahlengang schräge) obere Durchtrittsfläche 4 in ein optisches Verbundelement
1 ein, in das - etwa parallel zur Fläche 4 - ein teilreflektierender Strahlenteiler
2 eingebettet ist. Beim Auftreffen auf den Strahlenteiler 2 wird der Lichtstrahl
l in einen reflektierten Teilstrahl 1B und einen durchgelassenen Teilstrahl IM aufgeteilt.
Der Teilstrahl 1B wird durch einen Spiegel 5, der als Überzug auf einem Teil der
Fläche 4 des Verbundelementes 1 angeordnet ist, innerhalb des Verbundelementes 1
im wesentlichen parallel zum einfallenden Lichtstrahl I und zum durchgelassenen
Teilstrahl 1M reflektiert. Beide TeilstrahlenIB und IM treten daraufhin über die
untere Durchtrittsfläche 6 des Elementes 1 die etwa parallel zum Strahlenteiler
2 und damit auch zur oberen Durchtrittsfläche 4 angeordnet ist, im wesentlichen
parallel zueinander und zur Richtung des einfallenden Strahles I (vor dessen Eintreten
dieses Strahles in das Verbundelement 1) aus dem Verbundelement aus.
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Diese Situation wird nicht durch geringe Verschiebungen des Verbundelementes
1 in irgendeiner Richtung oder durch geringe Verschwenkungen des Verbundelementes
1 um irgendeine Achse gegenüber der Lichtquelle 72 und der Kollimatorlinse 74 beeinflußt.
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Nach dem Verlassen des Verbundelementes 1 tritt der Teilstrahlls,
der den Bezugsstrahl bildet, durch die obere Oberfläche 19 in eine planparallele
Platte 8 ein und fällt dort etwa senkrecht auf einen Spiegel 10, der als Überzug
auf einem Teil der unteren Oberfläche 9 der Platte 8 angeordnet ist. Der Spiegel
10 ist dabei als die eine Reflexionsfläche eines doppelseitigen Reflektors 20 ausgebildet,
dessen zweite Reflexionsfläche parallel zum Spiegel 10 durch einen Spiegel 11 gebildet
wird. Der von dem Spiegel 10 reflektierte Strahl wird als Strahl' in sich selbst
zurückgeworfen, tritt erneut durch die Durchtrittsfläche 6 in das optische Verbundelement
1 ein, wird dort durch den Spiegel 5 zur oberen Seite des Strahlenteilers 2 geleitet
und an dem Strahlenteiler 2 aufgeteilt in einen durchgelassenen Teilstrahl 1B' und
einen zur Lichtquelle 72 zurückgeworfenen Teilstrahl. Dem zur Lichtquelle zurückgeworfenen
Teilstrahl braucht hier keine weitere Beachtung geschenkt zu werden. Der durch den
Strahlenteiler 2 durchgelassene Teilstrahl Is' bildet einen der beiden zur Interferenz
gelangenden Teilstrahlen.
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Der zweite Teilstrahl IM, der den Meßstrahl bildet, gelangt nach
dem Durchtritt durch die Fläche 6 des Verbundelementes 1 über eine Einrichtung 12,
deren Funktion weiter unten noch kurz erläutert wird, und über einen klaren Teil
der Platte 8 zum Meßreflektor 53. Der Meßreflektor ist als sogenannter »Retroreflektor«
ausgebildet. Unter dem Begriff >Retroreflektor« wird dabei ein Reflektor verstanden,
der jeden auftreffenden Lichtstrahl parallel zu sich selbst zurückwirft. Dementsprechend
wird der Teilstrahl IM vom Meßreflektor 53 seitlich verschoben
wieder
zur Platte 8 zurückgeführt, wobei er senkrecht auf den auf der Oberfläche der Platte
8 angeordneten Spiegel 11 auftrifft. Der Spiegel 11 reflektiert den auftreffenden
Strahl als reflektierten Strahl 1M' in sich selbst zurück. Der Strahl 1M' gelangt
dabei über den Meßreflektor 53, den klaren Teil der Platte 8, die Einrichtung 12
und die Durchtrittsfläche 6 des Verbundelementes 1 zur unteren Seite des Strahlenteilers
2. Dort wird er teilweise reflektiert und teilweise zur Lichtquelle 72 durchgelassen.
Der reflektierte Teil des Strahles IM' bildet den zweiten der zur Interferenz gelangenden
Teilstrahlen.
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Der Strahlenteiler 2 bewirkt eine Rekombination der den Strahlenteiler
verlassenden, einander parallelen Teilstrahlen IB' und 1M' Der rekombinierte Strahl
wird über einen Spiegel 7, der als Überzug auf einem Teil der Durchtrittsfläche
6 gebildet ist, zur Durchtrittsfläche 4 reflektiert und verläßt das Verbundelement
1 über die Fläche 4. Er gelangt (wenn zunächst noch weiterhin die Einrichtung 12
außer acht gelassen wird) sodann über eine Sammellinse 80 und eine in deren Brennpunkt
angeordnete Apertur 81 zu einem Photovervielfacher 82.
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Der Meßreflektor 53 ist in Richtungen des Teilstrahles IM bzw. 1M'
gegenüber einer Bezugsfläche 83 beweglich angeordnet, so daß auf diese Weise die
optische Weglänge des Meßstrahles IM+IM verändert werden kann, während die optische
Weglänge des Bezugsstrahles 1B + 1B' konstant bleibt.
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Dementsprechend werden auf dem Photovervielfacher 82 Interferenzstreifen
erzeugt, die durch einen elektronischen (nicht weiter dargestellten) Zähler gezählt
werden können, wenn der Abstand do zwischen der Bezugsfläche 83 und dem Meßreflektor
53 verändert wird und deren Anzahl ein Maß für den Abstand do bildet.
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Die bereits mehrfach erwähnte Einrichtung 12, die nicht notwendigerweise
vorhanden sein muß, dient zur Ermittlung der Richtung der Verschiebung des Meßreflektors
53. Sie besteht aus einer Platte, die auf einem Teil ihrer Oberfläche 13 mit einer
dielektrischen Schicht 14 versehen ist. Die Anordnung ist dabei, wie F i g. 1 B
deutlich erkennen läßt, so getroffen, daß nur ein Teil des Teilstrahles IM und der
gleiche, in sich selbst zurückgeworfene Teil des Strahles IM' durch die Schicht
14 hindurchtritt. Die Schicht 14 führt bei jedem Strahldurchgang eine Phasenverzögerung
von A/8 in den betreffenden Teil des Meßstrahles ein, so daß nach dem Durchgang
des Strahles IM' in dem einen Teil des Meßstrahles eine Phasenverzögerung von A/4
gegenüber dem zweiten Teil des Meßstrahles entstanden ist. Der phasenverzögerte
Teil des Meßstrahles wird (nach der Rekombination) von der Sammellinse 80 über die
Apertur 81 zum Photovervielfacher 82 geleitet, während der entsprechende unverzögerte
Teil des Meßstrahles über eine zweite Sammellinse80' und eine zweite Apertur 81'
zu einem zweiten Photovervielfacher 82' geleitet wird. Von dem Bezugsstrahl treten
gleichphasige Teile sowohl in die Sammellinse 80 als auch in die Sammellinse 80'
ein und werden über die beiden Aperturen81 und 81' zu den Photovervielfachern 82
und 82' geleitet. Dadurch entstehen auf den beiden Photovervielfachern zwei Interferenzfelder,
die je nach der Bewegungsrichtung des Meßreflektors eine Voreilung oder Nacheilung
von A/4 gegeneinander aufweisen. Dies
ist die übliche Anordnung für eine Ermittlung
der Bewegungsrichtung des Meßreflektors.
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Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die optischen Flächen der Platte
8 und der Retardationsplatte 12 einander genau parallel sind. Es ist jedoch außerordentlich
wichtig, daß Strahlenteiler 2 und Spiegel 5 mit ihren optischen Flächen einander
außerordentlich genau ausgerichtet sind, um die Parallelität der Teilstrahlen 1B
und 1M sicherzustellen.
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In Fig. 1B ist die Retardationsplatte 12 etwas geneigt angeordnet
gezeigt. Durch eine Veränderung des Neigungswinkels dieser Platte läßt sich die
Größe der in den einen Teil des Meßstrahles eingeführten Phasenverzögerung verändern.
Auf diese Weise kann eine etwaige Toleranz in der Stärke der phasenverzögernden
Schicht 14 durch eine entsprechende Veränderung des Neigungswinkels der Retardationsplattel2
beim Zusammenbau des gesamten Gerätes ausjustiert werden. Die Größe des Neigungswinkels
hat keinen Einfluß auf die Wirkungsweise des Gerätes.
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Der als Retroreflektor ausgebildete Meßreflektor 53 kann, wie dies
in Fig. 1 gezeigt ist, aus einer Anordnung von starr miteinander verbundenen Reflexionsspiegeln
15, 16 und 17 bestehen, er kann aber auch, wie dies in F i g. 3 erläutert ist, aus
einem Rechteckprisma 23 bestehen. Selbstverständlich sind auch noch andere Ausbildungsformen
möglich, vorausgesetzt, daß sie ein optisches Symmetriezentrum 84 besitzen. Falls
der Spiegel 11 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Meßreflektors montiert ist, wird
bei jeder dieser Ausbildungsformen des Meßreflektors sichergestellt, daß die Lage
des parallel zu sich selbst zurückgeworfenen Meßstrahles nicht durch irgendwelche
seitlichen Verschiebungen des Meßreflektors oder durch Kippbewegungen des Meßreflektors
um eine durch den Mittelpunkt seiner sphärischen Kontaktspitze 18 gehende Achse
beeinflußt werden kann. Mithin ergibt sich, weil der Meßreflektor den einzigen beweglichen
Teil des Gerätes darstellt, eine sehr hohe Betriebssicherheit auch bei rauhen Betriebsbedingungen.
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Das optische Verbundelement 1 kann aus zwei Komponenten bestehen,
die aus einer einzigen planparallelen Platte geschnitten sind, wobei der Strahlenteiler
2 angebracht wird, bevor die beiden Komponenten an ihrer Zwischenfläche 3 miteinander
verkittet werden.
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In der Darstellung der F i g. 2 ist das Ausführungsbeispiel gemäß
F i g. 1 etwas eingehender an Hand eines sogenannten » optischen Tunneldiagramms«
erläutert. Bei einem Tunneldiagramm sind alle reflektierenden Oberflächen durch
durchlässige Oberflächen mit daran anschließenden äquivalenten optischen Weglängen
ersetzt, so daß insgesamt das ganze System auseinandergezogen erscheint. Zur Bildung
eines Tunneldiagramms wird, wie F i g. 2 A zeigt, der Meßreflektor 53 bei 53' und
der Endreflektor 11 bei 11' abgebildet. Danach wird, wie Fig. 2B erkennen läßt,
das optische System »auseinandergeklappt« gezeichnet, so daß die Strahlen von der
links angeordneten Lichtquelle zu dem rechts angeordneten Detektor durchlaufen.
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Die Fig. 2 B zeigt das Tunneldiagramm für den Meßstrahl 1M+1M" wobei
der Strahlenteiler 2 an der Stelle, an der er den Strahl durchläßt, mit T und an
der Stelle, an der er den Strahl reflektiert, mit R bezeichnet ist. Die F i g. 2
C zeigt das entsprechende
Tunneldiagramm für den Bezugsstrahl IB+/B'
In der Darstellung der Fig. 2 B und 2 C legen die beiden Teilstrahlen in gleichen
Zeiträumen gleiche horizontale Wege in denjenigen Abschnitten zurück, in denen sie
sich.in Luft befinden. Die dem Luftweg äquivalenten Teile des. optischen Weges innerhalb
des (gläsernen) Verbund elementes 1 sind größer als die tatsächlich zurückgelegten
Wege,. da der Brechungsindex des Glases größer -ist.
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In den F i g. 2 D und 2E sind die Tunneldiagramme der F i g. 2 B
und 2 C so umgezeichnet, daß auch die im Glas zurückgelegten Wege den in der Luft
zurückgelegten Wegen äquivalent sind. Somit legen beide Teilstrahlen in der Darstellung
der F i g. 2 D und 2E in gleichen Zeiträumen stets gleiche horizontale Wege zurück,
und zwar in allen Abschnitten der Strecke zwischen Lichtquelle und Detektor.
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Aus diesem Grunde ist der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem
Detektor für den Teilstrahl IM' der Fig. 2D und ~den Teilstrahl IB'- der Fig. 2E
gleich groß. Dies stellt die nullte Ordnung der Interferenz dar (m = 0) Fig. 2E
stellt den »Bezugsarm« des Interferometers dar, der eine konstante Länge besitzt,
während F i g. 2 D den Meßarm« des Interferometers wiedergibt, der länger oder kürzer
werden kann als der Bezugsarm. Die minimale Länge des Meßarmes ist in der F i g.
2 F dargestellt, während eine sehr große Länge des Meßarmes in der F i g. 2G gezeigt
ist. Im ersten Fall ist der Meßarm kürzer und im zweiten Fall sehr viel länger als
der Bezugsarm. Die sich aus dieser Veränderung der Länge des Meßarmes ergebenden
Interferenzstreifen werden gezählt, und diese Zählung stellt ein Maß für den Abstand
zwischen dem -Bild 11' des Endreflektors und dem Bild 84' des optischen Symmetriezentrums
dar (festgelegt gegenüber dem Meßreflektor und dessen Kontaktspitze).
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Die Darstellungen der F i g. 2 A bis 2G verdeutlichen in anschaulicher
Weise, daß die Interferenzordnung m unabhängig ist von einer seitlichen Verschiebung
des Meßreflektors oder von einer Verschwenkung des Meßreflektors um eine Achse,
die durch dessen optisches Symmetriezentrum verläuft.
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Das in F i g. 3 A und 3 B gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung
entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g.
1 A und 1 B, enthält darüber hinaus aber noch das Merkmal, daß das optische Verbundelement
zugleich als Dispersionselement für die Auswahl der Meßwellenlänge dient. Nachfolgend
werden daher nur noch die wesentlichen Unterschiede zwischen beiden Ausführungsformen
erläutert, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Der Strahlenteiler 2 ist wiederum in einer Zwischenfläche in das
Verbundelement 1 eingebettet, das an einer Außenfläche noch den Spiegel 5 trägt.
Die von der Lichtquelle ausgehende Strahlung trifft im wesentlichen senkrecht auf
die obere Durchtrittsfläche 4 des Verbundelementes 1 auf. Während jedoch in der
Ausführungsform gemäß Fig. 1 A und l B der Bezugsstrahl Ig das optische Element
1 verläßt, bevor er an der oberen Reflexionsfläche 10 des Doppelreflektors reflektiert
wird, erfolgt in dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3 A und 3 B eine Reflexion
des Bezugsstrahles 1B vom Strahlenteiler 2 aus nach oben zum Spiegel 5 und dann
abwärts zur oberen Reflexionsfläche 10 eines Doppelreflektors,
der- als Überzug direkt
auf einen Teil der Durchtrittsfläche 6 des Verbundelementes 1 gebildet ist.
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Der durch den Strahlenteiler 2 hindurchtretende Meßstrahl IM verläßt
die Durchtrittsfläche 6 des Verbundelementes 1 und läuft über einen als Retroreflektor
ausgebildeten Meßreflektor 23 zur unteren Reflexionsfläche 11 des Doppelreflektors.
In den Strahlengang des Meßstrahles kann eine nicht weiter gezeigte Retardationsplatte
(entsprechend der Platte 12 in F i g. 1 A und 1 B) eingeschaltet sein. Nach Rekombination
der beiden parallelen Teilstrahlen am Strahlenteiler 2 läuft der rekombinierte Strahl
schräg nach unten zur Durchtrittsfläche 6. Er trifft auf diese Fläche jedoch unter
einem Winkel auf, der den Grenzwinkel für die Totalreflexion übersteigt, wird daher
zurückgeworfen und gelangt schräg nach oben zu einer Refraktionsfläche 28, die ein
Teil des Verbundelementes 1 ist und eine Dispersion des rekombinierten Strahles
erzeugt. Im weiteren Strahlengang ist noch ein Hilfsdispersionsprisma 29 angeordnet,
das die durch die Refraktionsfläche 28 erzeugte Dispersion unterstützt und darüber
hinaus den Weg des rekombinierten Strahles senkrecht nach oben richtet, so daß (aus
Zweckmäßigkeitsgründen) die optischen Achsen der Kollimatorlinse 74 und der Sammellinse
80 einander parallel angeordnet werden können. Falls das Hilfsdispersionsprisma
29 nur im Bereich seiner minimalen Ablenkung benutzt wird, ist die Orientierung
dieses Prismas für die Funktion des Gerätes nicht bedeutungsvoll.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 A und 4 B wird eine Dispersion
an zwei Refraktionsflächen 21 und 28 des optischen Verbundelementes 1 erzeugt. Der
Einfallswinkel i, der Refraktionswinkel i', der Neigungswinkel Lu der Kollimatorlinse
74, der Prismawinkel (i des Verbundelements 1 und andere Winkel mit dem Strahlenteiler
2 und den darauf auftreffenden Strahlen sind in der F i g. 4A eingetagen. Der in
Fig.4A und 4B gezeigte Aufbau entspricht einem Neigungswinkel von a = 300 und einem
Brechungsindex n=1,732 für das Verbundelement 1, so daß die optische Achse der Sammellinse
80 etwa parallel zur Durchtrittsfläche 6 des Verbundelementes 1 und der Bezugsfläche
83 liegt.
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Im übrigen ist ebenso wie beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3
A und 3 B wiederum der Doppelreflektor 10/11 als Überzug auf einem Teil der Durchtrittsfläche
6 des Verbundelementes 1 gebildet, während der Strahlenteiler 2 an einer Zwischenfläche
in dem Verbundelement 1 eingebettet ist, das an einer Außenfläche noch den Spiegel
5 trägt.
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Das in den F i g. 5 A und 5B beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt
einen gegenüber den bisherigen Ausführungsbeispielen längeren optischen Weg für
den Bezugsstrahl 1B Wie im Falle der Fig. 4A und 4 B wird auch bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig.SA und 5B die Dispersion an zwei Refraktionsflächen 21 und 28 des optischen
Verbundelementes 1 erzeugt. Die Spiegel 5 und 7 entsprechen in ihrer Funktion den
gleichlautend bezeichneten Spiegeln in F i g. 1 A und 1 B, während die Anordnung
der Reflexionsflächen 10 und 11 entsprechend den Fig. 3A und 3B bzw. 4A und 4B getroffen
ist. Im übrigen ist eine in den Meßstrahl 1M eingeschaltete Retardationsplatte wiederum
nicht mehr dargestellt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 6 A und 6 B zeigt eine zweite
Möglichkeit zur Erzielung eines
längeren optischen Weges für den
Bezugsstrahl I, so daß sich (ebenso wie im Falle der F i g. 5 A und 5 B) höhere
maximale Interferenzordnungen bei großen Werten von do verarbeiten lassen. Bei dem
Ausführungsbeispiel der F i g. 6A und 6 B wird eine Dispersion nur an einer einzigen
Refraktionsfläche 27 des optischen Verbundelementes 1 erzeugt. Weiterhin unterscheidet
sich die Darstellung der F i g. 6 A und 6 B von allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
darin, daß kein DoppelreflektorlO/ 11 vorhanden ist. An Stelle des Endreflektors
für den Bezugsstrahl 1B ist der Spiegel 34 in der oberen rechten Ecke des Verbundelementes
1 vorgesehen, während der Endreflektor für den Meßstrahl 1M durch den Spiegel 33
gebildet wird, der als Überzug auf einem Teil der unteren Durchtrittsfläche 6 des
Verbundelementes 1 aufliegt. Das Element 1 enthält darüber hinaus noch eine an einer
Zwischen-«fläche eingebettete reflektierende Oberfläche 37.
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Zur Herstellung des Verbundelementes 1 werden zunächst vier Komponenten
38, 39, 40, 41 hergestellt. Sodann wird der Strahlenteiler 2 auf die Komponente
39 und der Spiegel 37 auf die Komponente40 als Überzug aufgebracht. Danach werden
sämtliche Komponenten 38, 39, 40, 41 miteinander verkittet. Die Oberfläche 6 auf
den Komponenten 40 und 41 wird nach dem Verkitten poliert, und dann werden die Spiegel
33 und 34 aufgebracht.
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Der einfallende, an der Refraktionsfläche27 dispergierte Lichtstrahl
I wird am Strahlenteiler 2 in den Bezugsstrahl Ig und den Meßstrahl 1M aufgeteilt
Der Meßstrahl 1M verläßt das Verbundelement 1 über die Durchtrittsfläche 6, wird
durch den als Retroreflektor ausgebildeten Meßreflektor 23 seitlich versetzt nach
oben reflektiert, trifft etwa senkrecht auf den Endreflektor 33 auf, wird dort in
sich selbst zurückgespiegelt und durchläuft den gleichen Weg zurück zum Strahlenteiler
2, von dem aus der zur Analyse benötigte Teil des Meßstrahles 1M' zum Spiegel 37
und dann zur Refraktionsfläche 27 geleitet wird. An der Refraktionsfläche 27 tritt
dabei eine weitere Dispersion auf. Der Bezugsstrahl IB wird vom Strahlenteiler 2
aus zum Spiegel 5 und von dort weiter schräg nach oben zum Endreflektor 34 reflektiert.
Er trifft dabei etwa senkrecht auf den Endreflektor 34 auf, wird mithin in sich
selbst zurückgeworfen, tritt als zurücklaufender Strahl IB' zum Teil durch den Strahlenteiler
2 hindurch und fällt auf den Spiegel 37, der den Strahl 1B' ebenfalls zur Refraktionsfläche
27 leitet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Länge des Bezugsarmes des
Interferometers durch Aufkitten eines Vorsatzstückes 35 auf die Komponente 38 des
Verbundelementes 1 weiter vergrößert werden.
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In diesem Fall wird der Endreflektor für den Bezugsstrahl nicht als
Überzug 34 auf die Endfläche der Komponente 38, sondern als Überzug 36 auf die entsprechende
parallelliegende Endfläche des Vorsatzstückes 35 aufgebracht. Auf diese Weise kann
der Glasanteil des Bezugsarmes des Interferometers um den Betrag 2L verlängert werden,
wobei L die Stärke des als Verlängerungselement für den Bezugsarm wirkenden Vorsatzstückes
35 ist. Durch diese Anordnung ist es möglich, die Länge des Bezugsarmes des lnterferometers
mit nur einer einzigen Grundeinheit des Verbundelementes 1 individuell an die in
besonderen Fällen benötigten Bereiche für die Länge des Meßarmes des Interferometers
anzupassen.
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Für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6A und 6B müssen beim Zusammenbau
der einzelnen Teile einige Justierungserfordernisse beachtet werden. Die Lichtquelle
72 und die Kollimatorlinse 74 sind so einzujustieren, daß der Bezugsstrahl 1B etwa
senkrecht auf den Endreflektor 34 (oder 36) auftrifft, und zwar für die zur Messung
benutzte Wellenlänge.
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Weiterhin sind die Sammellinsen 80 und 80', die Aperturen 81 und 81'
und die Photovervielfacher 82 und 82' so einzujustieren, daß der Bezugsstrahl 1B'
(nach Reflexion vom Spiegel 34 oder 36) in das Zentrum der Aperturen 81 und 81'
eintritt, und zwar ebenfalls für die der Messung zugrunde liegende Wellenlänge.
Unter der Voraussetzung, daß das Verbundelement 1 ausreichend genaue Winkel zwischen
den jeweiligen reflektierenden Flächen besitzt, braucht der Einjustierung des Meßstrahles
keine weitere Beachtung mehr geschenkt zu werden, da der Meßstrahl dann auch justiert
ist. Um die notwendige Genauigkeit beim Zusammenbau des Verbundelementes 1 sicherzustellen,
kann beim Zusammen bau und dem Verkitten der einzelnen Teile ein Joch zum Kontrollieren
und Einregeln der einzelnen Winkel innerhalb des Verbundelementes 1 benutzt werden.
Insbesondere durch Beachtung und Regelung des Keilwinkels der Kittschicht zwischen
den Komponenten 40 und 41 lassen sich die notwendigen beiden Freiheitsgrade erzeugen,
die zum Sicherstellen der ausreichenden Parallelführung der beiden interferierenden
TeilstrahlenIB' und 1M' notwendig sind.
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Das gemäß der Erfindung aufgebaute Interferometer kann außer zur
Längenmessung auch in vorteilhafter Weise zum Prüfen der Abbildungsfehler eines
Test-Retrorefiektors benutzt werden. Falls bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6A
und 6B die Apertur 81 und der Photovervielfacher 82 entfernt werden, kann an dieser
Stelle das Interferenzmuster direkt mit dem bloßen Auge beobachtet werden.
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Falls das optische System des Interferometers keine Abbildungsfehler
besitzt, ist das Blickfeld gleichmäßig hell. Wenn nun ein einwandfreier Retroreflektor
23 durch den zu prüfenden Retroreflektor ersetzt wird, machen sich Abbildungsfehler
in dem sich ergebenden Interferenzmuster bemerkbar, deren Analyse bekannt ist und
daher an dieser Stelle nicht im einzelnen erläutert werden soll. Bei Verwendung
des erfindungsgemäßen Interferometers ist das Interferenzmuster für einen gegebenen
Test-Retroreflektor ähnlich dem Interferenzmuster, das beim Prüfen des gleichen
Retroreflektors durch die übliche Methode in einem Twyman-Green-Interferometer beobachtet
werden kann. Die Vorteile der hier beschriebenen Anordnung liegen in dem leichten
und schnellen Aufbau und Umbau sowie in der Vermeidung von groben und feinen Winkeleinstellungen
der Endreflektoren.
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Das gemäß der Erfindung aufgebaute Interferometer kann ebenfalls
in vorteilhafter Weise zum Prüfen der Abbildungsfehler einer planparalllelen Platte
benutzt werden. Für diesen Zweck wird die zu prüfende planparallele Platte in den
Strahlengang zwischen dem Retroreflektor 23 und dem Endreflektor 33 eingesetzt,
wobei darauf geachtet werden muß, daß Strahlen, die dem Retroreflektor noch nicht
erreicht haben, nicht abgeschnitten werden dürfen. Das hierbei beobachtete Interferenzmuster
kann durch die üblichen Verfahren zum Bestimmen der Abbildungsfehler analysiert
werden.
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Das gemäß der Erfindung aufgebaute Interferometer kann weiterhin
auch in sehr vorteilhafter Weise zur außerordentlich genauen Bestimmung des Ablenkungswinkels
eines optischen Keiles benutzt werden. Der Prüfkeil wird in der gleichen Weise in
den Strahlengang eingeschaltet, wie dies weiter oben für den Fall der Prüfung einer
planparallelen Platte beschrieben wurde. Falls der Ablenkungswinkel den Betrag von
einigen wenigen Bogensekunden nicht übersteigt, kann das beobachtete Interferenzmuster
aus einander parallelen Interferenzstreifen nach üblichen Verfahren zur Bestimmung
des Ablenkungswinkels analysiert werden. Falls der Ablenkungswinkel größer sein
sollte, können zwei kalibrierte Risley-Prismen in Serie zu dem Prüfkeil hinzugefügt
werden, um die zu starke Ablenkung zu kompensieren.