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Interferentielles Längenmeßgerät Die Erfindung betrifft ein interferentielles
Längen meßgerät, in welchem über einen Strahlenteiler und zwei Rückreflektoren zwei
kohärente Lichtstrahlenbündel erzeugt werden, die miteinander zur Interferenz gebracht
werden. Bei derartigen Meßgeräten geht der Meßvorgang gründsätzlich so vor sich,
daß einer der Rückreflektoren in Richtung des einfallenden und reflektierten Strahlenbündels
um den Betrag der zu messenden Strecke bewegt und in einer mikroskopischen Anordnung
die Zahl der bei dem Bewegungsvorgang durch ein Fadenkreuz wandernden Interferenzstreifen
ermittelt wird. DerAbstand zwischen je zwei benachbarten Interferenzstreifen beträgt
eine halbe Wellenlänge des verwendeten Meßlichts.
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Dieses Meßverfahren ist deshalb verhältnismäßig umständlich, weil
den im metrischen Dezimalsystem gemessenen Wellenlängen der verfügbaren monochromatischen
Lichtquellen keine einigermaßen glatten Zahlen entsprechen, die eine einfache Umrechnung
der ermittelten Interferenzstreifenzahl in den gesuchten Längenwert gestatten würden.
Dies sei zunächst an einem einfachen Beispiel erläutert: Die rote Cadmiumlinie z.
B. hat eine Wellenlänge von 0,6438 çum.
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Bei einem bekannten Meßgerät, welches eine Interferenzstreifenfolge
mit einem Streifenabstand von je einer halben Wellenlänge ergibt, wäre brei Verwendung
von monochromatischem Meßlicht dieser Wellenlänge die Zahl die während der Meßbewegung
gezählten Interferenzstreifen mit der unhandlichen Zahl von 0,3219 zu multiplizieren.
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Es ist ein Interferometer zur linearen Anzeige der Abstandsänderung
zweier planparalleler reflektierender Flächen bekanntgeworden, bei dem mit Hilfe
einer Steuerparabel die an sich nach einer quadratischen Funktion verlaufende Änderung
des Durchmessers der Interferenzringe linear angezeigt wird. Für die Erfassung größerer
Abstandsänderungen, die eine Zählung der ganzen Ringdurchgänge erfordert, bleibt
jedoch noch der oben angezeigte Nachteil eines unhandlichen Umrechnungsfaktors erhalten.
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Es ist aber erwünscht - und das ist die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe -, dem Streifenabstand der Interferenzstreifen durch eine angenäherte Rechengröße
zu ersetzen, die eine einigermaßen glatte Zahl ist.
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Erfindungsgemäß wird nun bei einem Interferometer der eingangs beschriebenen
Art der eine - in der Lichteinfallsrichtung verschiebliche - Rückreflektor im Meßgerät
mit einem Getriebe verbunden, welches den dem Meßwert entsprechenden Verschlebeweg
eines Meßfühlers auf einen Betrag umsetzt,
welcher, mit einer glatten Zahl multipliziert,
den gesuchten Längenwert ergibt. Dabei ist es, dem interferentiellen Meßgerät entsprechend,
so eingerichtet, daß der das Getriebe vom beweglichen Spiegel ausgeführte Verschiebeweg
durch die Zahl der während der Verschiebung im Meßokular des Gerätes durchwandernden
Interferenzstreifen gemessen wird.
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Bei Anwendung der roten Cadmiumlinie als monochromatische Lichtquelle
mit einer halben Wellenlänge von 0,3219 Vam wäre eine Umsetzung auf die Rechengröße
0,300 erwünscht, doch wird im allgemeinen bereits eine Reduzierung auf 0,320 genügen.
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Man kann dann mit einfacheren Getrieben auskommen.
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Maßgeblich für die gewünschte Zahlenumsetzung ist der Winkel welchen
der auf den bewegten Spiegel wirkende Endhebel des Getriebes mit der Schubrichtung
des Meßfühlers einschließt. Dieser Winkel muß erfindungsgemäß der Beziehung folgen
v cos<p = =. s # Der Betrag von cos ç stellt also das Übersetzungsverhältnis
des Getriebes dar, und dieses ist gleich dem Verhälntis der einzusetzenden glatten
Näherungszahl (R') zum wahren Wert der Wellenlänge (A).
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Man kann nun in einem interferentiellen Längenmeßgerät je nach der
Zahl der Reflexionen, denen innerhalb des Gerätes die beiden kohärenten Bündel unterworfen
sind, erreichen, daß einer Interferenzstreifenbewegung um einen Streifenabstand
im Okular nicht eine Verschiebung des Rückreflektors um eine halbe, sondern eine
viertel oder einen geringeren geradzahligen Bruchteil der halben Wellenlänge entspricht.
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Im folgenden wird an Hand der Zeichnungen das Wesen der Erfindung
näher erläutert: Fig. 1 veranschaulicht schematisch ein einfaches interferentielles
Meßgerät bekannter Bauart; F i g. 2 veranschaulicht ein einfaches Hebelgetriebe
nach der Erfindung; Fig.3 zeigt ein ähnliches Hebelgetriebe mit anderen Führungselementen;
Fig.4
zeigt das Schema einer Längenmeßvorrichtung, bei welcher ein einfacher Doppelspiegel
als beweglicher Rückrefiektor Anwendung findet; F i g. 5 zeigt eine Variante, bei
der als beweglicher Rückreflektor ein doppelter Winkelspiegel verwendet wird; F
i g. 6 schließlich veranschaulicht schematisch die Verbindung eines doppelten Rückreflektors
nach F i g. 5 mit einem Getriebe nach der Erfindung.
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Die gewöhnlichen interferentiellen Längenmeßgeräte sind nach dem
Schema der F i g. 1 aufgebaut.
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Das von einer Lichtquelle Q durch einen Spalt Sp fallende und durch
eine Sammellinse L1 parallelgerichtete Strahlenbündel fällt zunächst auf einen teildurchlässigen
Strahlenteiler T, über welchen ein Teil durch Reflexion auf den Rückreflektor S1
geleitet wird, von wo es, durch den Strahlenteiler hindurchtretend, über eine sammelnde
Optik, und eine die Austrittspupille begrenzende Blende in das Auge A des Beobachters
fällt. Der vom Strahlenteiler T nicht reflektierte Anteil des Meßlichtes tritt durch
denselben hindurch. Er gelangt auf den Rückreflektor S2, von wo ein entsprechender
Anteil, am Strahlenteiler T reflektiert, ebenfalls über die sammelnde Optik, dem
beobachtenden Auge zugeführt wird. Die hier wahrgenommenen Interferenzstreifen,
deren Abstände unmittelbar abhängig sind, von der Wellenlänge des verwendeten monochromatischen
Lichtes der Lichtquelle Q wandern im Gesichtsfeld des Instrumentes, wenn der RückreflektorS1
um die zu messende Strecke in Richtung des ein- und austretenden Lichtstrahlenbündels
verschoben wird. Die Zahl der während dieser Verschiebung durch ein Fadenkreuz im
Okular hindurchwandernden Interferenzstreifen multipliziert mit der halben Wellenlänge
des Meßlichtes ergibt den gesuchten Meßwert.
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F i g. 2 veranschaulicht schematisch ein aus drei gelenkig miteinander
verbundenen Stangen 1 bis 3 bestehendes Getriebe. Der Hebel 1 ist mit einem Meßfühler
F verbunden, der während der Messung um den zu ermittelnden Längenwert verschoben
wird.
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Der in Lagern I und II axial geführte Hebel 1 betätigt über den am
oberen Ende angelenkten weiteren Hebel 2 den Endhebel 3 des Getriebes, der-gelenkig
mit dem freien Ende des Hebels 2 verbunden ist und durch die Geradführung III bis
IV axial geführt wird in einem Winkel , dessen Cosinus das Übersetzungsverhältnis
v Vs des Getriebes darstellt und gleich dem Quotienten 8 aus der abgerundeten Zahl
(A) und der wirklichen Zahl (A) der Wellenlänge des Meßlichtes ist. Für den Meßvorgang
bedeutet dies, daß der.Rückreflektor nicht um den zu messenden Längenwert v, sondern
um eine reduzierende Strecke 1 s = v -cos ? verschoben wird. Ferner, daß im Meßokular,
nicht wie bisher, n Interferenzstreifen (mit einer Abstandsbreite von 2 ) gezählt
werden, sondern eine abweichende Zahl', mit welcher nicht 2, sondern der abgerundete
Wert X2 zu multiplizieren ist. Im Falle der 2 roten Cadmiumlinie würde Y mit 0,30
oder 0,32 2 einzusetzen sein.
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Bei der ähnlichen Getriebeandordnung nach F i g. 3 wird der Endhebel
3 nicht wie bei der Ausführung nach F i g. 2 axial in festen Führungen geführt,
sondern an zwei um feste Achsen M1 und M2 synchron drehbare, parallele Radialhebel
angelenkt. Diese Ausführung hat den Vorzug, daß das Übersetzungsverhältnis des Getriebes
auch bei größeren Verschiebungen konstant bleibt.
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Wenn die Umsetzung des Wellenlängengrades auf eine glatte Zahl zu
einem zu großen Wert für den Winkel führt, hat man es in der Hand, durch geeignete
Gestaltung des Interferometers mit geradzahligen Bruchteilen der halben Wellenlänge
als Maß für die Rückreflektorverschiebung zu arbeiten In F i g. 4 ist schematisch
die Anordnung eines Interferometers veranschaulicht, in dem die Verschiebung des
Rückreflektors Si, bei der im Okular eine Streifenverschiebung um eine Abstandsbreite
beobachtet wird, nur ein Viertel der Wellenlänge beträgt. Zu diesem Zweck ist zunächst
der Rückreflektor der Anordnungen nach F i g. 2 und 3 durch einen Zwillingspiegel
ersetzt, dessen planparalleler Körper auf der Vorder- und Rückseite verspiegelt
ist und der in der Nullstellung des Gerätes um gleiche Lichtwege vom Strahlenteiler
des Gerätes entfernt angeordnet ist. Ferner befinden sich in den Lichtwegen zusätzliche
Spiegel S2 bis S,, so daß jedes der vom Strahlenteiler T ausgehenden Strahlenbündel
auf dem Hin- und Rückweg zusammen fünf Reflexionen erleidet.
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In der Fig. 5 ist eine Interferometeranordnung schematisch dargestellt,
bei welcher der im Okular beobachteten Streifenverschiebung um eine Abstandsbreite
zwischen zwei Interferenzstreifen eine Rückreflektorverschiebung um ein Achtel der
Wellenlänge des Meßlichtes entspricht. Der Zwillingsspiegel der Anordnung nach Fig.4
ist ersetzt durch einen doppelten Winkelspiegel, an welchem die Strahlenbündel auf
dem Hin- und Rückweg je vier insgesamt, also acht Reflexionen erfahren. Dieser mit
dem Meßfühler verschiebliche Doppelwinkelspiegel S1 ist zwischen zwei festen Dachkantenprismen
P1 und Pa angeordnet, durch welche die aus dem Winkelspiegel austretenden Lichtbündel
parallel zur Austrittsrichtung auf den Winkelspiegel zurückreflektiert werden. Zwischen
Winkelspiegel und Strahlenteiler sind wiederum zwei zusätzliche Spiegelpaare S,,
85 und S4, 85 vorgesehen. Die Gesamtzahl der Reflexionen, welche in diesem Falle
die kohärenten Lichtbündel innerhalb des Gerätes, gerechnet vom Strahlenteiler,
erleiden, beträgt also zehn.
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Fig. 6 - veranschaulicht in schematischer Darstellung ein komplettes
Gerät unter Anwendung eines Doppelwinkelspiegels S1, der in Verbindung mit einem
Stangengetriebe nach der Erfindung gezeigt ist. Das von der Lichtquelle Q über die
Sammellinse L1 und den Strahlenteiler Tausgesandte und in zwei kohärente Lichtbündel
aufgespaltene Licht gelangt einerseits über die Spiegelpaare S,, 83 und S4, 85 an
entgegengesetzten Seiten auf den Doppelwinkelspiegel 85. Nach zweifacher Reflexion
an diesem werden sie durch die feststehenden Dachkantprismen P1 und P2 parallel
zu sich auf die beiden Hälften des Winkelspiegels zurückgeworfen und gelangen von
da an und nach erneuter Reflexion an den beiden weiteren Spiegelpaaren direkt bzw.
am Strahlenteiler T reflektiert, unter Interferenzbildung über das Okular in das
Auge
des Beobachters. Der Meßfühler F überträgt seine Bewegung über
das Gestänge 1-2-3 auf den DoppelwinkelspiegelS,, mit dessen Bewegung um eine Achtelwellenlänge
im Okular die Wanderung der Interferenzstreifen um eine Abstandsbreite beobachtet
wird. Der Endhebel 3 des Getriebes ist an zwei um feste Achsen Ml und M2 synchron
drehbare parallele Radialhebel angelenkt, wodurch das Getriebe über lange Verschiebewege
ein konstantes tYbersetzungsverhältnis erhält.