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Interferenz-Komparator Gegenstand der Erfindung ist ein verbesserter
Michelson-Interferenzkomparator.
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Für genaueste Längenmessungen werden Interferometer verwendet, von
welchen das Michelsonsche Interferometer und die Fabry-erot-Etalons die wichtigsten
sind. Bei den Verfahren zur interferometrischen Längenmessung wird verlangt, daß
die im Interferometer benutzte Lichtquelle eine scharfe Spektrallinie enthaltendes
Licht möglichst hoher Intensität ausstrahlt, so daß Interferenzstreifen durch Differenzen
in der optischen Weglänge, die gleich der zu messenden Länge ist, erhalten werden
können.
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Hierbei werden üblicherweise Entladungsröhren mit dem Kryptonisotop
86 Kr oder dem Quecksilberisotop 198 mg als Lichtquellen verwendet. Diese haben
einzelne scharfe Spektrallinien, mit deren Licht Interferenzstreifen bei Differenzen
in den optischen Weglängen von mehr als 60 cm erhalten werden können. Im allgemeinen
hat sich die Wellenlänge der von einer gut durchkonstruierten 86-Kr-Lampe unter
bestimmten Bedingungen wegen ihrer Stabilität als das beste Wellenlängenstandard
erwiesen. Man muß jedoch sehr sorgfältig arbeiten und auf die Umgebungsbedingungen
achten, da sich diese auf die Wellenlänge und auf die zu messende Länge anders auswirken,
wenn die Messung unter anderen als den Standardbedingungen erfolgt, bei welchen
die Länge definiert ist. So ändert sich z. B. die Länge eines Stahlstabes, der in
der Industrie eine große Rolle spielt, mit Temperatur viel mehr, als die Wellenlänge
des verwendeten Lichtes in Luft. Um die Länge bei Standard-Temperatur zu erhalten,
müssen Korrekturen am Meßwert vorgenommen werden. Ähnliche Überlegungen müssen auch
bei den anderen Wirkungen angestellt werden, wie z. B. beim Luftdruck und der Feuchtigkeit.
Bei den konventionellen interferometrischen Längenmessungen wird folgender Korrektionsprozeß
durchgeführt. Es werden die Temperatur, Luftdruck und Feuchtigkeit (und der Partialdruck
von CO2) zugleich mit der Länge gemessen.
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Die Länge wird dann auf Standardbedingungen mit Hilfe von Korrektionsformeln
umgerechnet, die die Einflüsse der Umgebungsbedingungen auf die Wellenlänge und
auf das Material berücksichtigen, dessen Länge gemessen werden soll. Diese Korrekturen
sind ziemlich lästig und nehmen viel Zeit in Anspruch.
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Wie aus der Edlenschen Korrektionsformel hervorgeht, ist dabei die
Korrektur der Wellenlänge besonders schwierig.
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Bei vielen auszuführenden Messungen wird es deshalb sehr vorteilhaft
sein, wenn die Standardlänge ohne Messungen und Korrekturen hin-
sichtlich der Umgebungseinflüsse
erhalten werden kann.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Interferenz-Komparator
zu entwickeln, bei welchem eine Standardlänge bei Standardbedingungen automatisch
erhalten wird, ohne daß zur Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen, bei welchen
die Längenmessung durchgeführt wird, Messungen und Korrekturen erforderlich sind.
Die Grundidee zur Lösung dieser Aufgabe beruht darin, die Wellenlängen des in den
IIauptteil des Komparators, also in das Interferometer, gelangenden oder von ihm
herkommelden Lichtes so zu regulieren, daß die in Termen der Wellenlänge ausgedrückte
Differenz der optischen Weglängen zwischen den beiden Interferometerspiegeln unabhängig
von den Umgebungsbedingungen wird. Diese Grundidee erscheint bei keinem bisherigen
Verfahren.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß einem an sich bekannten
Michelson-Interferometer mindestens ein Fabry-Pérot-Etalon zugeordnet ist, der ein
Paar planparalleler Platten mit relativ hohem Reflexionsvermögen und einen Distanzhalter
aus einem Material enthält, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient wenigstens annähernd
dem des Materials gleichkommt, aus welchem der zu messende Artikel hergestellt ist,
wobei die durch das Interferometer hindurchtretenden Lichtstrahlen untereinander
eine
Phasendifferenz aufweisen, die von der jeweiligen Neigung der
Lichtstrahlen und von den Umgebungsbedingungen nicht beeinflußt wird.
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Hierbei muß die Intensität der Interferenzstreifen den praktischen
Anforderungen entsprechen. Die Intensität eines vom Fabry-Perot-Etalon kommenden
Lichtbündels ist im allgemeinen viel geringer als die des einfallenden Lichtbündels,
da wegen der Filtereigenschaften der reflektierenden Etalonbeläge Verluste eintreten.
Diese Schwierigkeit kann dadurch beseitigt werden, daß das den Etalon und das Interferometer
enthaltende optische System so eingerichtet wird, daß die Wellenlänge Ao des unter
dem Winkel O zur optischen Achse verlaufenden Lichtstrah-Ies folgender Relation
genügt 2 = Ä0 cos 0, worin Ao die Wellenlänge des längs der optischen Achse verlaufenden
Lichtstrahles bedeutet.
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Für die Erzeugung des zur Kompensation der Umgebungseinflüsse erforderlichen
Wellenlängenbereiches sind breite Spektrallinien brauchbar. Diese Spektrallinien
können aus Spektrallampen, wie Quecksilberdampf-Hoch- und Niederdruck-Entladungslampen
erhalten werden, die billig und im Handel leicht erhältlich sind.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt: Fig.1 zeigt ein Schema eines bekannten optischen Systems, das bei herkömmlichen
optischen Interferometern zur Längenmessung verwendet wird; Fig.2 zeigt ein Schema
des optischen Systems, wie es beim vorliegenden Interferometer verwendet wird; Fig.3
bis 5 sind Schemas weiterer optischer Systeme, wie sie in den vorliegenden Interferenzkomparatoren
zur Anwendung kommen; F i g. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Paares
Fabry-Pérot-Etalons, die beim vorliegenden Interferometer verwendet werden.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist schematisch ein optisches System dargestellt,
das beim herkömmlichen optischen Interferometer für die Längenmessung verwendet
wird. Ein von einer Lichtquelle 10 kommender Lichtstrahl gelangt durch eine punktförmige
Öffnung 12 zu einer Eintrittskollimatorlinse 14, die ihrerseits den von der punktförmigen
Lichtquelle ausgesandten und darauffallenden Lichtstrahl in einen weitgehendst parallelen
Strahl verwandelt. Der Parallelstrahl fällt unter einem Winkel von 450 auf einen
Strahlenteiler, wie z. B. einen halbdurchlässig versilberten Planspiegel 16, wo
er aufgespalten wird in einen reflektierten Strahl, der zu einem festen oder Vergleichsplanspiegel
18 wandert, und in einen hindurchgehenden Strahl, der zu einem beweglichen Planspiegel
20 wandert. Diese Spiegel 18 und 20 werfen die Strahlen auf den Spiegel 16 zurück,
durch den der erste Strahl hindurchgeht, während der zweite reflektiert wird. So
gelangen die zwei Strahlen am Spiegel 16 zur Interferenz, was im Feld der Sammellinse
oder Lupe 22 beobachtet werden kann.
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Die im Feld der Lupe 22 beobachteten Interferenzstreifen werden über
eine (in der Zeichnung nicht ersichtliche) Vergleichsmarke hinweg verschoben, und
zwar um einen Streifen bei jeder Verschiebung des beweglichen Spiegels 20, die einer
halben Wellenlänge des von der Lichtquelle 10 ausgehenden Lichtes entspricht. Es
ist bekannt, daß bei einer Verschiebung eines wie z. B. oben beschriebenen beweglichen
Spiegels die Helligkeit eines Interferenzstrei-
fens sich periodisch ändert, entsprechend
der Verschiebung A/2 des Spiegels 20, wobei 2 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.
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Eine Vorrichtung zur Längenmessung durch Interferenz umfaßt eine
geeignete Meßklemme (aus der Zeichnung nicht ersichtlich), wie z. B. eine Spindel
oder ein Ablesemikroskop od. dgl., die am obenerwähnten beweglichen Spiegel befestigt
werden.
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In Fi g. 2 der Zeichnung ist ein gemäß Ausführungsbeispiel konstruiertes
optisches System schematisch dargestellt. Wie daraus ersichtlich, trifft ein von
einer punktförmigen Lichtquelle 10 kommender Lichtstrahl auf eine Kollimatorlinse
24, wo er in einen weitgehendst parallelen Strahl verwandelt wird, der wiederum
durch den Fabry-Pérot-Etalon 26 zu einer Sammellinse 28 gelangt. Der durch die Linse
28 gesammelte Strahl wird durch eine Eintrittskollimatorlinse 14 hindurchgeleitet,
um wiederum in einen weitgehendst parallelen Strahl übergeführt zu werden, der wiederum
in derselben Weise verwendet wird wie der oben im Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebene.
In F i g. 2 bezeichnet ein gestrichelter Block einen wie in Fig. 1 dargestellten
herkömmlichen Interferenz-Komparator. Vorzugsweise besitzt die Sammellinse 28 weitgehendst
dieselbe Brennweite wie die Kollimatorlinse 14 und beide Linsen sind so angeordnet,
daß ihre Brennpunkte sich an einem gemeinsamen Punkt treffen.
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Der Fabry-Perot-Etalon besteht aus einem Paar planparalleler, aus
einem geeigneten Material hergestellter Platten mit relativ hohem Reflexionsvermögen,
die parallel zueinander angeordnet sind, und aus einem Distanzhalter der die planparallelen
Platten in einem vorbestimmten Abstand anseinanderhält, und der aus einem Material
hergestellt ist, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient wenigstens annähernd gleich
ist, dem des Materials, aus welchem der zu messende Gegenstand gefertigt ist.
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Dies ermöglicht, dlas Verhältnis der Länge des zu messenden Artikels
zur Wellenlänge des durch den Etalon hindurchgetretenen Lichtes innerhalb geeigneter
Temperaturgrenzen konstant zu halten.
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Mit anderen Worten, jeder Temperaturwechsel bewirkt die entsprechende
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 einer Änderung der Länge des Distanzhalters, ist jede Änderung
in der Länge des zu messenden Artikels proportional jener Wellenlänge. Aus diesem
Grunde bleibt das Verhältnisnis der Länge des zu messenden Artikels zur Wellenlänge
des durch den Etalon hindurchgelassenen Lichtes ungeachtet des Temperaturwechsels
unverändert. Wohlbemerkt jedoch sollte dieser Temperaturwechsel innerhalb eines
Bereichs bleiben, bei dem eine Änderung des Abstands zwischen dem Paar planparalleler
Platten des Etalons höchstens gleich ist einer halben Wellenlänge des verwendeten
Lichtes. Er darf aber nicht innerhalb unbeschränkter Grenzen stattfinden.
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Darüber hinaus geht daraus hervor, daß die gemessenen Daten keineswegs
durch eine Änderung des atmosphärischen Druckes beeinflußt werden,
und
zwar aus ähnlichen Gründen, wie die oben beschriebenen.
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Bei einem Etalon, der aus einem ein geeignet hohes Reflexionsvermögen
aufweisenden Material hergestellt ist und bei dem ein geeignet großer Abstand zwischen
dem Paar planparalleler Platten vorhanden ist, besitzt ein in einer unter einem
Winkel von 0 zur optischen Achse geneigten Richtung hindurchtretender Lichtstrahl
eine Wellenlänge von A cos e, wobei 1 eine Wellenlänge eines entlang der optischen
Achse hindurchtretenden Lichtstrahles ist.
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Weiter weist der in jener Richtung hindurchgelassene Strahl eine Spektrallinie
auf, dessen Breite viel schmaler sein kann als der von der Lichtquelle ausgehende
Strahl. Bei der dargestellten Ausführung ist der unter dem Winkel von 0 mit Bezug
auf dessen optische Achse durch den Fabry-Perot-Etalon hindurchtretende Lichtstrahl
so angeordnet, um auch eine Neigung von e mit Bezug auf die optische Achse des Interferometers
aufzuweisen.
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Es ist den Fachleuten auf dem Gebiet bekannt, daß, wenn do eine Gangdifferenz
zwischen Lichtstrahlen darstellt, die in der Richtung 0- = 0 durch einen Interferometer
hindurchgetreten sind, eine optische Gangdifferenz d0 für Lichtstrahlen, die bei
einer Neigung von 0 durch ihn hindurchgegangen sind, durch die Funktion dargestellt
wird de = do cos 0.
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Demnach wird die entsprechende Phasendifferenz s durch die Funktion
dargestellt = = 2 n n ds = und = worin n ein Brechungsindex eines Mediums ist, durch
das die Strahlen hindurchtreten und 0 eine Phasendifferenz zwischen solchen Strahlen,
wenn e = 0. Mit anderen Worten, die Phasendifferenz wird' durch eine Neigung des
Lichtstrahls nicht verändert.
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Beim herkömmlichen Interferometer jedoch ist <pe nicht gleich
0. Um Interferenzstreifen mit hohen Kontrasten zu bilden, wenn die Phasendifferenz
groß ist, muß man eine punktförmige Öffnung beim Brennpunkt einer Kollimatorlinse
anbringen, um dadurch eine Querschnittsfläche eines dort hindurchtretenden Lichtbündels
einzuengen.
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Im Gegensatz dazu erlaubt die Erfindung, sich diese Einengung in
hohem Maße zu erleichtern.
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Eine solche Einengung jedoch kann wegen der Eigenschaften eines verwendeten
Etalons nicht ohne jegliche Beschränkung erleichtert werden. Genauer gesagt, muß
die Größe der Öffnung so festgelegt werden, daß, bei einem Etalon mit dem Abstand
D zwischen dem Paar planparalleler Platten hat, kein Lichtstrahl durch die Öffnung
hindurchgelassen wird, der eine größere Neigung als }AZID rad. aufweist.
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Das Ausmaß der so festgelegten Öffnung ist weit größer, als das unter
den Bedingungen für die Kontrastverbesserung erhaltene Ausmaß. Eine beschränkte
Erleichterung der Einengung bezüglich der Öffnungsgröße ist zum Zweck der Bildung
von hellen Interferenzstreifen vorteilhaft und besonders wirksam, wenn die Interferenzstreifen
der Photometrie unterworfen werden, bei der eine Photozelle benutzt wird.
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Weiter ist erforderlich, dahingehend zu wirken, daß eine Spektrallinie
von Licht, das von einer Lichtquelle ausgeht, nicht Ä2/2D überschreitet.
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Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, daß die Erfindung die folgenden
technischen Konzeptionen in sich schließt: 1. Indem die Lichtwellenlänge gemäß jedem
Wechsel der Temperatur und/oder des atmosphärischen Druckes und/oder dergleichen
geändert wird, wird sichergestellt, daß die Phasendifferenz zwischen den durch den
Interferometer hindurchgelassenen Lichtstrahlen nicht von einem solchen Wechsel
abhängt.
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2. Indem bewirkt wird, daß die Wellenlänge eines Lichtstrahles, der
unter einem Winkel von 0 mit Bezug auf eine optische Achse eines Interferometers
geneigt ist, gleich A cos 0 ist, wird sichergestellt, daß eine Phasendifferenz zwischen
den durch den Interferometer hindurchgelassenen Lichtstrahlen nicht von ihrer Neigung
abhängt.
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In F i g. 3 der Zeichnung ist eine abgeänderte Anordnung schematisch
dargestellt. Wie daraus ersichtlich, sind hier der Fabry-Perot-Etalon 26 und die
damit verbundenen Linsen 24 und 28 an einer Austrittsseite eines Interferometers
angebracht. Wie bei der in F i g. 2 gezeigten Anordnung besitzen hier die beiden
Linsen 28 und 22 dieselben Brennweiten und sind so angeordnet, daß sich ihre Brennpunkte
an einem gemeinsamen Punkt treffen. Ein von der Linse 22 in jeder Richtung ausgehender
Lichtstrahl hat verschiedene Wellenlängen. Nachdem er die Linse 28 und den Etalon
26 durchlaufen hat, hat der Lichtstrahl nur eine einzige Wellenlänge von A cos 0.
Somit sind die Bedingungen auch in der in F i g. 3 gezeigten Anordnung aufrechterhalten,
dieselben also, wie sie zuvor im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben wurden.
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In den F i g. 4 und 5 sind Abänderungen der Ausführungsform dargestellt,
bei denen ein Etalon auf einer optischen Bahn innerhalb eines Interferometers angebracht
ist, wobei in der Abwandlung gemäß Fig.4 der Etalon an der Eintrittsseite angebracht
ist, während in der Abwandlung gemäß F i g. 5 der Etalon an der Austrittsseite des
Interferometers angebracht ist. Bei diesen beiden Abwandlungen sind die in F i g.
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 obenerwähnte Konzeption (2) klar verwirklicht. Dies gilt
für die Anordnung gemäß F i g. 5.
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Die vorangehende Beschreibung richtet sich auf die Verwendung eines
einzigen Fabry-Perot-EtaIons.
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Wie bereits beschrieben, sind die Beschränkungen bezüglich der Größe
einer Öffnung, jeder Änderung der Temperatur, des atmosphärischen Druckes usw.,
verglichen mit den früheren Methoden auf dem Gebiet, in hohem Maße weiter erleichtert,
können aber nicht vollständig vermieden werden. Solche Beschränkungen können jedoch
weiter erleichtert werden durch die Verwendung eines Paares Etalon, die zwischen
den jeweiligen Paaren planparalleler Platten verschiedene Abstände aufweisen und
wie in F i g. 6 dargestellt, hintereinander angebracht sind.
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Dabei wird angenommen, daß ein Lichtstrahl zuerst durch einen Etalon
30 und dann durch einen Etalon 32 hindurchtritt.
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Der Etalon 32 ist so entworfen und konstruiert, daß ein Abstand D2
zwischen einem Paar planparalleler Platten und sein Brechungsindex genügen, um eine
Breite einer Spektrallinse von durch den Etalon durchgelassenem Licht kleiner zu
machen als eine Breite einer Spektrallinie, die notwendig ist, um einen gewünschten
zu messenden Abstand oder einen gewünschten Abstand zu erhalten, innerhalb dessen
ein Paar kohärenter Strahlen interferieren können.
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Der Etalon 30 ist so entworfen und konstruiert, daß ein Abstand Dl
zwischen einem Paar planparalleler Platten und sein Reflexionsvermögen genügen,
um eine Breite einer Spektrallinie von durch den Etalon durchgelassenen Licht kleiner
als P/2D* zu machen und um den Abstand Dl kleiner als den Abstand D zu machen. Auf
diese Weise kann die Beschränkung bezüglich einer Öffnung, verglichen mit der Anord
nung, bei der nur ein einziger Etalon verwendet wird, um einen Faktor von fD2/D1
weiter erleichtert werden. In gleicher Weise können die Einflüsse des Temperatur-
und/oder des atmosphärischen Druckwechsels um einen Faktor D21D1 verringert werden.
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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 Eintrittsseite, der andere an der
Austrittsseite des Interferometers angebracht werden kann.